Введение

Одним из основных приоритетов разработчиков при проектировании сверхзвуковых пассажирских самолетов является обеспечение их надежности и высокой работоспособности. Большинство из существующих жаропрочных сплавов дюралевой группы (Д16, Д16ч., 1163, Д19, АК4, АК4-1 и т. д.) являются трудно свариваемыми методами сварки плавлением, так как имеют низкую стойкость к образованию горячих трещин, что ограничивает возможности их более широкого применения [1–9].

Алюминиевые сплавы марок В-1213 и 1151 относятся к сплавам нового типа – конструкционным жаропрочным сплавам системы Al–Cu–Mg. Для расширения их внедрения при разработке элементов фюзеляжа сверхзвуковых самолетов возникла необходимость более широкого исследования свариваемости указанных сплавов при сварке трением с перемешиванием (СТП) и лазерной сварке [10–17].

Основными особенностями сверхзвукового пассажирского самолета, влияющими на выбор конструктивной схемы планера, являются повышенная весовая эффективность в сочетании со значительным аэродинамическим температурным нагревом фюзеляжа. В этой связи выбор основного конструкционного материала и сопутствующих технологий его соединения является актуальной задачей при создании нового летательного аппарата. Применение сварки в элементах фюзеляжа сверхзвуковых самолетов из жаропрочных алюминиевых сплавов позволит снизить трудоемкость их изготовления и массу, повысить КИМ, ресурс и надежность, что в итоге заметно повлияет на экономические показатели производства и эксплуатационные расходы изделий новой техники [18–27].

Исследования по определению технических достижений в области технологий сварки жаропрочных алюминиевых сплавов позволили определить основные направления их развития:

– увеличение стойкости к образованию горячих трещин при лазерной или дуговой сварке на высоких скоростях (до 100 м/ч) и импульсном режиме сварки, а также за счет применения присадочного материала, легированного Ag, Sc, Ce, Ti, Zr;

– повышение механических свойств сварных соединений при использовании инструмента с наконечником переменной длины для СТП либо путем импульсного или ультразвукового воздействия;

– управление и контроль теплового режима СТП при предварительном нагреве свариваемых кромок или за счет дополнительного охлаждения сварного шва либо инструмента (газом или жидкостью) с регламентированной скоростью.

Определены следующие технические показатели жаропрочных алюминиевых сплавов: предел прочности, ударная вязкость, пластичность (угол изгиба α). При использовании технологий СТП и лазерной сварки применительно к элементам фюзеляжа из жаропрочных алюминиевых сплавов В-1213 и 1151 уровень их свойств следующий: предел прочности σ_в = 410 МПа; пластичность – угол изгиба α = 30 градусов; ударная вязкость 60–80 кДж/м², что соответствует мировому уровню технических показателей.

Материалы и методы

В практике лабораторных экспериментальных исследований для количественной оценки свариваемости применяют методику испытаний по определению горячих трещин при воздействии термического цикла сварки и растягивающей деформации.

Оценку трещиностойкости жаропрочных алюминиевых сплавов В-1213 и 1151проводили по ГОСТ 26389–84 на установке ЛТП1-6 с использованием образцов размером 50×50×2 мм как с присадочным материалом, так и без него. При этом последовательно осуществляли сварку серии образцов с различной скоростью растяжения. Скорость деформации повышали до появления горячих трещин, определяемых визуально, и таким образом определяли критические скорости растяжения (V_кр, мм/мин).

Работу проводили на листовых полуфабрикатах из алюминиевых сплавов В-1213 и 1151 толщиной 3 и 2 мм соответственно в состоянии Т1. В качестве подготовки поверхности применяли химическое травление, а непосредственно перед сваркой проводили шабрение.

Исследовано влияние параметров режима СТП (скорость вращения инструмента ω, скорость сварки V_св) на образование стыковых сварных соединений жаропрочных алюминиевых сплавов В-1213 и 1151. Параметры режима СТП меняли в следующих пределах: скорость сварки – от 100 до 500 мм/мин; скорость вращения инструмента – от 400 до 1000 об/мин. Результаты исследований показали, что основным дефектом сварного соединения является «тоннельный» дефект, возникающий при значительном увеличении числа оборотов и малых значениях скорости сварки (ω ≥ 1500 об/мин, V_св ≤ 100 мм/мин), а также при низких скоростях вращения инструмента и высокой скорости сварки (ω ≤ 400 об/мин, V_св ≥ 500 мм/мин).

Кратковременную прочность, статический угол изгиба и ударную вязкость определяли по ГОСТ 6996–66 и ГОСТ 1497–84. Испытания на малоцикловую усталость (МЦУ) проводили на установке Walter Bai LFV-100 по ГОСТ 25.502–79.

В качестве подготовки поверхности под СТП применяли ее химическое травление. Сварку проводили на современной установке FSW-LM-AF25-AB (рис. 1) с использованием серийного инструмента с диаметром заплечика 10 мм. Сварку вели на стальной подкладке без формирующей канавки.

Рис. 1. Установка для сварки трением с перемешиванием FSW-LM-AF25-AB

Лазерную сварку проводили на установке Laser Weld 8R60 (рис. 2) в специальном кондукторе, на медной подкладке с канавкой и отверстиями для подачи защитного газа к обратной стороне шва. Защиту зоны сварки от окисления реализовывали локальной подачей аргона через трубчатое сопло.

Рис. 2. Проведение лазерной сварки листовых заготовок жаропрочных алюминиевых
сплавов В-1213 и 1151 на роботизированном комплексе Laser Weld 8R60

Работа выполнена с использованием оборудования ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ.

Результаты и обсуждение

При исследовании технологической свариваемости жаропрочных алюминиевых сплавов В-1213 и 1151 установлено, что сплав 1151 менее склонен к образованию дефектов типа пор, трещин и подрезов, а при сварке сплава В-1213 качественный сварной шов невозможно получить без применения присадочных материалов. Так, для сплава 1151 при сварке без присадки значения V_кр не превышают 2,7 мм/мин. Применение присадок марок Св-1201 и Св-1177 повышает значения V_кр до 4,8 и 5,75 мм/мин соответственно (табл. 1).

Таблица 1

Результаты испытаний на стойкость к образованию

горячих трещин сплавов В-1213 и 1151

Испытания сплава В-1213 показали, что критическая скорость деформации при сварке без присадочного материала практически равна нулю. В этой связи данный сплав можно отнести к группе ограниченно свариваемых методами сварки плавлением из-за высокой склонности к образованию горячих трещин. Применение присадочных материалов позволяет повысить значение V_кр до 1,92 мм/мин – для присадки марки АМг6 и до 3,4 мм/мин – для присадки марки Св-1201.

В связи со склонностью сплава В-1213 к образованию горячих трещин целесообразно при лазерной сварке применять режимы, обеспечивающие меньшее тепловложение.

Отработаны параметры режимов лазерной сварки (мощность лазерного луча W_л, скорость сварки V_св, расфокусировка лазерного луча Δf) стыковых соединений. Установлено, что при мощности излучения менее 1700–2000 Вт и расфокусировке лазерного луча >10 мм наблюдается неполное проплавление свариваемого стыка жаропрочных алюминиевых сплавов В-1213 и 1151. Увеличение мощности (>3000 Вт) и расфокусировки лазерного луча (<5 мм) приводит к образованию прожогов и пористости в сварных соединениях. При скорости сварки <0,02 м/с наблюдается нестабильное образование сварного соединения, вызванное эффектом накопления тепла в свариваемой заготовке. На высоких скоростях сварки – более 0,05–0,06 м/с – возможно образование пор вследствие высокой скорости кристаллизации сварного шва.

Проведенный по ГОСТ EN 4678–2016 рентгенографический контроль полученных сварных соединенийжаропрочных алюминиевых сплавов В-1213 и 1151показал, что дефекты типа пор, трещин и непроваров отсутствуют.

Исследование технологических параметров лазерной сварки осуществляли по режимам, представленным в табл. 2. Проведенный далее визуальный контроль при полном проплавлении свариваемых заготовок показал отсутствие сварочных дефектов (рис. 3).

Таблица 2

Режимы лазерной сварки листов

из жаропрочных алюминиевых сплавов В-1213 и 1151

Рис. 3. Внешний вид сварных соединений из сплавов В-1213 (а) и 1151 (б), выполненных
лазерной сваркой

В связи с тем, что сплавы В-1213 и 1151 относятся к одной системе легирования (Al–Cu–Mg) и обладают близкими значениями теплофизических характеристик, диапазоны режимов лазерной сварки также сопоставимы между собой.

В соответствии с отработанными режимами лазерной сварки сплавов B-1213 и 1151 скорректировано значение расфокусировки лазерного луча Δf до 15 мм, что обеспечило более равномерное образование сварного соединения при применении присадочных проволок марок Св-1201 и Св-1177. Лазерную сварку проводили в импульсном режиме при скорости >0,035 м/с, пропорционально увеличив при этом мощность луча.

Установлено, что при лазерной сварке сплавов 1151 и B-1213 с присадкой Св-1177 требуется увеличение средней мощности импульсного режима лазерного луча на 5–10 % (при расфокусировке Δf = 15 мм) по сравнению с использованием присадки Св-1201.

Проведены исследования образцов сварных соединений жаропрочных алюминиевых сплавов B-1213 и 1151 на прочность, пластичность и МЦУ. Установлено, что применение для сплава 1151 присадочной проволоки марки Св-1177 (при средней мощности импульсной лазерной сварки W_л ≈ 3500 Вт), в сравнении с присадочной проволокой марки Св-1201 (при W_л ≈ 3200 Вт), позволяет повысить коэффициент разупрочения с 0,78 до 0,83. При этом значения МЦУ сварных соединений сплава 1151 увеличиваются в 2 раза при сопоставимом уровне пластичности (~30 градусов для сварных соединений, выполненных как с присадкой Св-1177, так и с присадкой Св-1201).

При режиме лазерной сварки сплава В-1213 с присадочной проволокой Св-1177 достигается коэффициент разупрочнения 0,75 при уровне пластичности ~50 градусов и значенияхМЦУ: 46200 циклов. Применение присадочной проволоки Св-1201 позволяет повысить не только коэффициент разупрочнения с 0,75 до 0,81, но и пластичность до 54 градусов и МЦУ в 1,8 раза – до 83440 циклов.

Установлено также, что использование присадочной проволоки Св-1177 при режиме лазерной сварки сплава 1151 способствует повышению значений МЦУ сварных соединений в 2 раза по сравнению с показателями данной характеристики при применении присадки Св-1201. Результаты проведенных исследований представлены в табл. 3.

Таблица 3

Свойства образцов сварных соединений жаропрочных алюминиевых

сплавов В-1213 и 1151 в поперечном направлении, выполненных лазерной сваркой

Проведено исследование влияния режимов СТП на механические характеристики сварных соединений жаропрочных алюминиевых сплавов В-1213 и 1151. Исследованы следующие режимы:

– для сплава 1151: скорость сварки V_св – до 500 мм/мин; скорость вращения инструмента w – до 1000 об/мин;

– для сплава В-1213: V_св – до 400 мм/мин; w – до 700 об/мин.

Для оценки режимов по степени тепловложения в свариваемый металл применен коэффициент тепловложения (K_т), равный отношению скорости вращения инструмента к скорости сварки.

При СТП листов из жаропрочных алюминиевых сплавов В-1213 и 1151 отработаны диапазоны режимов (табл. 4), обеспечивающие полный провар свариваемых заготовок при отсутствии сварочных дефектов как при визуальном контроле изломов сварных швов (рис. 4), так и при рентгенографическом контроле.

Таблица 4

Режимы сварки трением с перемешиванием листов

из жаропрочных алюминиевых сплавов В-1213 и 1151

Рис. 4. Внешний вид сварных соединений из сплавов В-1213 (а) и 1151 (б), выполненных сваркой трением с перемешиванием

Проведены также исследования образцов на прочность, пластичность (по статическому углу изгиба) и определена МЦУ сварных соединений жаропрочных алюминиевых сплавов В-1213 и 1151, выполненных по режимам СТП. Результаты проведенных исследований представлены в табл. 5.

Таблица 5

Свойства образцов сварных соединений жаропрочных алюминиевых сплавов В-1213

и 1151 в поперечном направлении, выполненных сваркой трением с перемешиванием

Установлено, что при СТП сплава 1151 удалось достичь равнопрочности сварных соединений и основного металла на режимах с K_т от 2,25 до 2,6 об/мм при сопоставимом уровне пластичности. При этом режим СТП с K_т = 2,6 об/мм позволяет повысить значения МЦУ сварных соединений жаропрочного алюминиевого сплава 1151 в 4,7 раза – до 224460 циклов.

При режиме СТП сплава В-1213 с K_т от 2,3 до 3 об/мм достигается коэффициент разупрочнения 0,8 при пластичности >60 градусов. Режим СТП с K_т = 3 об/мм способствует повышению значений МЦУ сварных соединений жаропрочного алюминиевого сплава В-1213 в 1,4 раза – до 198050 циклов.

При определении МЦУ установлено, что применение присадочной проволоки марки Св-1201 при лазерной сварке сплава В-1213 позволяет повысить значения МЦУ в 1,8 раза. Использование присадочной проволоки марки Св-1177 при лазерной сварке сплава 1151 также повышает МЦУ (в 2 раза). Этот результат коррелирует с результатами, полученными при исследовании свариваемости, и связан с более высокой стойкостью к образованию горячих трещин сварных соединений сплава 1151 с присадкой Св-1177, а сплава В-1213 – с присадкой Св-1201, когда кристаллизационные трещины более эффективно подавляются за счет металлургического влияния присадочного материала.

Установлено также, что сварные соединения жаропрочных алюминиевых сплавов В-1213 и 1151, выполненные СТП, значительно превосходят по значениям МЦУ сварные соединения, выполненные лазерной сваркой (наиболее высокое значение МЦУ сварных соединений сплава 1151, выполненных лазерной сваркой, составляет 17750 циклов, выполненных СТП: 224460 циклов), что обусловлено отсутствием характерных для сварки плавлением микрорыхлот (оплавлений по границам зерен – зародышей кристаллизационных трещин), а также более чистой поверхностью сварных соединений. Поэтому для повышения ресурса конструкций целесообразно применение зачистки сварных соединений, выполненных такой сваркой, от таких концентраторов напряжений, как проплав, усиление сварного шва и «чешуйчатость» лицевой поверхности.

Заключения

Проведены исследования технологической свариваемости жаропрочных алюминиевых сплавов В-1213 и 1151, влияющей на качество образования сварных соединений, выполненных без присадочного материала (ГОСТ 14806–80), и их дефектность (ГОСТ 30242–97). Установлено, что сплав 1151 менее склонен к поро- и трещинообразованию. В случае же сварки сплава В-1213 качественное образование сварных соединений невозможно без применения присадочной проволоки.

Оценена стойкость жаропрочных алюминиевых сплавов В-1213 и 1151 к образованию горячих трещин. Установлено, что из-за высокой склонности к их образованию сплав В-1213 относится к группе ограниченно свариваемых сплавов. Применение присадочных проволок позволяет повысить V_кр до 1,92 мм/мин – для присадки марки АМг6 и до 3,4 мм/мин – для присадки марки Св-1201. Сплав 1151 имеет удовлетворительную стойкость к образованию горячих трещин при сварке без присадки, значения V_кр не превышают 2,7 мм/мин. Применение присадочных проволок марок Св-1201 и Св-1177 увеличивает значения V_кр до 4,8 и 5,75 мм/мин соответственно.

Исследование влияния режимов лазерной сварки на формирование сварных соединений жаропрочных алюминиевых сплавов В-1213 и 1151 показало, что при мощности излучения менее 1700–2000 Вт и расфокусировке лазерного луча >10 мм наблюдается неполное проплавление свариваемого стыка. Увеличение мощности (>3000 Вт) и расфокусировки лазерного луча (<5 мм) приводит к формированию прожогов и пористости в сварных соединениях. При скорости сварки <0,02 м/с наблюдается нестабильное образование сварного соединения, вызванное эффектом накопления тепла в свариваемой заготовке. При скорости сварки более 0,05–0,06 м/с возможно образование пор из-за высокой скорости кристаллизации сварного шва.

Результаты исследования влияния параметров режима СТП на образование сварных соединений жаропрочных алюминиевых сплавов В-1213 и 1151 свидетельствуют о том, что «тоннельный» дефект возникает при скорости вращения инструмента ≥1500 и ≤400 об/мин соответственно. При V_св от 100 до 500 мм/мин и ω от 400 до 1000 об/мин достигается образование сварного шва без дефектов.

По результатам выполненных исследований отработаны диапазоны режимов лазерной сварки и СТП, обеспечивающие допустимое образование шва при полном проплавлении свариваемых заготовок.

Проведено также исследование влияния режимов лазерной сварки и СТП на механические свойства сварных соединений жаропрочных алюминиевых сплавов В-1213 и 1151. Установлено, что при лазерной сварке данных сплавов с присадкой марки Св-1177 требуется увеличение мощности луча на 5–10 % по сравнению со сваркой с присадкой марки Св-1201. Кроме того, применение режима лазерной сварки сплава 1151 с присадкой Св-1177 позволяет повысить коэффициент разупрочнения до 0,83, а присадка Св-1201 при лазерной сварке сплава В-1213 способствует повышению не только коэффициента разупрочнения с 0,75 до 0,81, но и пластичности до α = 54 градусов.

Следует отметить, что при СТП сплава 1151 удалось достичь равнопрочности сварных соединений и основного металла на режимах с K_т от 2,25 до 2,6 об/мм при сопоставимом уровне пластичности. При данной сварке сплава В-1213 на режимах с K_т от 2,3 до 3 об/мм прочность сварных соединений достигает уровня 0,8 от прочности основного металла при значении пластичности >60 градусов.

Установлено также, что сварные соединения жаропрочных алюминиевых сплавов В-1213 и 1151, выполненные СТП, значительно превосходят по значениям МЦУ сварные соединения при лазерной сварке. Наиболее высокое значение данной характеристики сварных соединений сплава 1151, выполненных лазерной сваркой, составляет 17750 циклов, выполненных СТП: 224460 циклов. Этот результат коррелирует с результатами, полученными при исследовании свариваемости, и связан с более высокой стойкостью к образованию горячих трещин сварных соединений сплава 1151 с присадкой Св-1177, а сплава В-1213 – с присадкой Св-1201, когда кристаллизационные трещины эффективнее подавляются за счет металлургического влияния присадочного материала. Более высокие значения МЦУ при СТП обусловлены отсутствием характерных для сварки плавлением зародышей кристаллизационных трещин, а также более чистой поверхностью сварных соединений.