Металлографические исследования соединений, полученных при электронно-лучевой сварке сплавов 2024, 7150, В96

Материал и методика исследования. Исследования проводили на соединениях, полученных при электроннолучевой сварке сплавов 2024 (система Al-Cu-Mg) 7150 и В96 (система Al-Zn-Mg-Cu). Сварные соединения были получены в различном термическом состоянии:

сплав 2024 δ=18 мм сваривали в закаленном и искусственно состаренном состоянии;

сплав 7150 δ=30 мм был сварен в закаленном, закаленном + искусственно состаренном состояниях.Сварные соединения, полученные на металле δ=30 мм и 80 мм в закаленном состоянии подвергались дополнительному после сварки искусственному старению;

сварные соединения на сплаве В96 δ=22 мм были получены в последовательности: закалка + искусственное старение + сварка.

Исследовали макро, микроструктуру сварных соединений, измеряли твердость. Для выявления макроструктуры сварных соединений применяли химическое травление в растворе щелочи (NaOH) или смеси кислот (HCI+HNO3+HF), для выявления микроструктуры использовали электролитическое полирование в уксусно-хлорном электролите. Исследования структуры проводилось на оптическом микроскопе Neofot-32 при увеличении 150-500. Измерение твердости выполнялись на твердомере М-400 фирмы LECOпри нагрузке 1кг, поперек оси шва по середине толщины образца через каждый милиметр. На сварных соединениях большой толщины определяли также твердость металла шва в различных точках по его высоте.

На основании экспериментальных данных исследования структуры и измерения твердости определены особенности формирования структуры металла шва, структурные превращения и разупрочнение основного металла в зоне термического влияния и качество сварных соединений.

2.2.1 Результаты. Макроструктура металла шва соединений, исследованных сплавов характеризуется высокой плотностью и мелкокристаллическим строением, которое трудно выявить при химическом травлении (рис.2.13). Видимых дефектов не обнаружено.

При исследовании микроструктуры сварных соединений были выявлены некоторые особенности структуры швов. Принципиальная разница в кристаллической структуре швов исследованных сплавов состоит в том, что при сварке сплава системы Al-Cu-Mg(2024) в шве формируется дендритная структура, а сплавов системы Al-Zn-Mg-Cu(В96, 7150) - швы имеют субдендритную или смешанную дендритную ису б дендритную структуру. Субдендртная (недендритная) структура представляет собой полиэдры без дендритных осей. Размеры субдендритного зерна приближаются к размеру дендритного параметра. Следует отметить, что при формировании в сплаве дендритной структуры выделение избыточных фаз располагаются по границам и внутри кристаллитов. При образовании субдендритной структуры - только по границам субдендритных зерен. Особенностью структуры швов при сварке исследованных сплавов является образование слоев или зон кристаллизации с различной структурой. Слоистая форма кристаллизации проявляется в образовании слоев с различной формой дендритов для сплава 2024 и в образовании прослоек с различной величиной субдендритного зерна или отдельных зон с субдендритной и дендритной структурой - для сплавов системы Al-Zn-Mg-Cu.
Сплав 2024. Структура основного металла представляет собой твердый раствор легирующих элементов в алюминии и включения первичных и вторичных фаз. Вторичные дисперсные фазы слабо видны на оптическом микроскопе. Непосредственно у границы сплавления на участке протяженностью до 0,1 мм наблюдается повышенная плотность и увеличение размера дисперсных выделений вторичных фаз. Заметного роста зерна в ЗТВ не выявлено.

В металле шва, непосредственно у границы сплавления образуются слои мелких дендритов толщиной 0,15 мм, за ними следует зона направленных дендритов ориентированных перпендикулярно зоне сплавления (рис. 2.14).

    Рисунок 2.13 - Макроструктура сварных соединений, полученных при электроннолучевой сварке сплавов 2024, δ=18 мм (а), В96, δ=22 мм (б),7150, δ=80 мм (в)

Рисунок 2.13 продолжение - Макроструктура сварных соединений, полученных при электроннолучевой сварке сплава 7150 δ=30 мм (г, д, е)

Рисунок 2.14 - Микроструктура металла шва вблизи границы сплавления соединения, полученного при ЭЛС сплава 2024 (стрелками указана границасплавления).х500

Толщина зоны столбчатых дендритов различна по высоте шва и может достигать в отдельных местах 0,5 мм. Размер дендритов 0,3x0,1 мм. Центральная часть шва характеризуется образованием равноосных или смеси равноосных и столбчатых дендритов. Размер дендритов в центре шва изменяется в пределах от 0,1х 0,15 мм до 0,1x0,8 мм. Обнаруживаются дендриты с мелким и грубым внутренним строением (рис.2.15).

Отличительной особенностью металла шва при ЭЛС сплава 2024 является повышенная его склонность к образованию горячих трещин. Трещины располагаются строго по границам дендритов. Ближе к границе сплавления трещина является магистральной, по центру шва - более разветвленная. Такие особенности распространения трещины обусловлены характером структуры в различных участках шва (рис.2.16). Выявлена также повышенная склонность металла сплава 2024 к растрескиванию в зоне термического влияния (рис.2.17, рис.2.18). По границам оплавленных зерен основного металла образуются трещины различной протяженности и глубины раскрытия. На рис.2.17 и рис.2.18 представлены микроснимки, на которых видно изменение структуры и характер растрескивания металла в зоне термического влияния вблизи границы сплавления.

Ряд трещин, что образуются в металле зоны термического влияния затухают непосредственно у границы сплавления (рис.2.17, а, б; рис.2.18, а). В других участках сварного соединения (рис.2.18, б) происходит непосредственный переход трещин из основного металла в шов. Во всех случаях трещины распространяются по границам зерен основного металла и по границам кристаллитов в металле шва. Чем ближе к границе сплавления, тем выше склонность к оплавлению структурных составляющих и образованию микронесплошностей. Кроме оплавленных пограничных прослоек в зоне термического влияния наблюдаются компактные локальные оплавления структурных составляющих (рис.2.19).

    Металлографические исследования сварных соединений сплава 2024 позволили выявить участки, в которых наблюдается непрерывный переход трещин из основного металла, и практически через весь шов и снова в основной металл (то есть зона термического влияния - шов - зона термического влияния). В зонетермического влияния по месту оплавленных структурныхсоставляющих наблюдаются также отдельные микронесплошности. Размер микропор не превышает 0,02 - 0,025 мм. Глубина растрескивания металла в ЗТВ от границы сплавления в сторону основного металла не превышает 1,8 мм.

Рисунок 2.15 – Микроструктура в центральной части шва, полученного при ЭЛС сплава 2024: а, б – различные участки центральной части шва.х500

Рисунок 2.16 – Микроструктура металла шва по месту образования микротрещин соединения, полученного при ЭЛС сплава 2024. х500

 

 

 

 

Рисунок 2.17 – Микроструктура в зоне сплавления соединения, полученого при ЭЛС сплава 2024 (а и б участки с различной степенью растрескивания).х156

 

 

Рисунок 2.18 – Микроструктура соединения, полученого при ЭЛС сплава 2024:

а – околошовная трещина затухает у границы сплавления;

б – околошовная трещина продолжается в металле шва; х500

Рисунок 2.19 – Микроструктура в зоне термического влияния вблизи границы сплавления соединения, полученого при ЭЛС сплава 2024:

а – оплавленные фазы;

б – оплавлены фазы и прослойки.х500

 

 

2.2.3. Сплав 7150. В исследованных партиях сплава 7150 основной металл представляет собойтвердый раствор и включения различного размера первичных фаз независимо от состояния сплава. Вторичные дисперсные выделения фаз сплавов искусственно состаренных до или после сварки практически неразличимы на оптическом микроскопе. Структура ориентирована. Структура основного металла сплава 7150 толщиной 30 мм в состоянии закалка + сварка + искусственное старение отличается от других сплавов этой серии повышенной травимостью границ зерен, наличием отдельных мелких микропор. При сварке текстура деформации сохраняется практически до границы сплавления. У границы сплавления на участке протяженностью 0,1 - 0,15 мм увеличивается плотность и размеры вторичных частиц. Как и на сплаве 2024 при сварке сплава 7150 в ЗТВ происходит оплавление структурных составляющих с образованием тонких прослоек по границам зерен или компактных скоплений легкоплавких фаз (рис.2.20).

По границам зерен происходит растрескивание металла с образованием различного размера трещин. Не установлено значительных различий в склонности к растрескиванию в ЗТВ при сварке сплава 7150 толщиной 30 мм от термического состояния до или после сварки. Для сварных соединений, полученных, в последовательности закалка + искусственное старение + сварка протяженность растрескивания составляет 1,0 - 1,7 мм; в последовательности закалка + сварка - от 0,9 до 1,5 мм; и в состоянии закалка + сварка + искусственное старение - 1,1- 1,75 мм.

    Характерной особенностью растрескивания в ЗТВ при сварке сплавов системы Al-Zn-Mg-Cuявляется то, что трещины затухают у границы сплавления или в шве на расстоянии не превышающем 0,1 мм. На рис.2.21 представлены рядснимков, характеризующих особенности растрескивания металла в различных точках ЗТВ по мере удаления от границы сплавления. Непосредственно у границы сплавления происходит оплавление не только по границам зерен, а оплавляются крупные первичные выделения. Образуются грубые трещины, несплошности, микропоры (рис.2.21, б, в). По мере удаления от границы сплавления трещины становятся прерывистыми и располагаются по границам оплавленных зерен, оплавление первичных интерметаллидов заканчивается. Далее уменьшается степень оплавления структурных составляющих. По границам оплавленных зерен образуются отдельные или цепочки микропор и локальных микротрещин, которые трудно отличить от оплавленных прослоек (рис.2.21, д, е). Более высокой стойкостью против растрескивания характеризуютсясварные соединения, полученные на сплаве 7150 толщиной 80 мм в состоянии закалка + сварка + искусственное старение. Длина оплавленных пограничных прослоек составляет 0,4 мм. Оплавленные фазы имеют характерную эвтектическую структуру. Они локальные, сосредоточены только лишь у границы сплавления. Структура швов при сварке сплава 7150 толщиной 30 мм, в основном, субдендритная или смешанная субдендритная + дендритная. Вблизи границы сплавления формируется, как правило, субдендритная структура (рис.2.22, рис.2.23). По мере удаления к центру шва обнаруживаются слои с более крупнымисубдендритами или с дендритным строением (рис.2.24, а, б). По высоте шва структура практически одинакова. На рис.2.25 представлены микроснимки, характеризующие структуру металла шва в верхнем (а), среднем (б) и корневом (в) участках шва сварного соединения полученного в состоянии закалка + сварка + искусственное старение. Отличительной особенностью шва, полученного на металле толщиной 80 мм, является то, что доля дендритного строения металла шва несколько больше, чем субдендритного (рис.2.26).

 

 

    Рисунок 2.20 - Микроструктура основного металла в зоне термического влияния соединения, полученного при ЭЛС сплава 7150, δ=51 мм:

а - без оплавления первичныхинтерметаллидов;

б - с оплавлением первичныхинтерметаллидов; х500

 

2.2.4 Сплав В96. Структурные превращения в ЗТВ и формирование структуры металла шва являются типичными, как и для сплава 7150. Непосредственно у границы сплавления формируется субдендритная структура собразованием мелких зерен.

        

 

 

Рисунок 2.21- Фрагменты структуры в различных участках соединения, полученного при ЭЛС сплава7150 δ=30 мм в последовательности закалка+искусственное старение + сварка:

I 1

а - шов; б - зона сплавления; в, г - зона термического влияния по месту оплавления границ зерен и первичных интерметаллидов; д, е - ЗТВ по месту оплавления границ зерен; х 500

 

Рисунок 2.21 – Продолжение

 

 

 

Рисунок 2.22 - Микроструктура соединения, полученного при ЭЛСсплава7150, δ=30 мм: а - в зоне сплавления; б - в центральной части шва; х156

 

        

 

Рисунок 2.23 - Микроструктура в зоне сплавления соединения, полученногоприЭЛС сплава 7150, 8=30 мм; х500

        

 

Рисунок 2.24 - Микроструктура металла шва соединения, полученного ЭЛСсплава 7150, δ=30 мм:

 а - зона с су б дендритной структурой;

б - зона со смешанной структурой субдендритной и дендритной; х500

 

        

Рисунок 2.25 - Микроструктура металла шва в верхней (а), средней (б) и нижней (в) частях шва , полученного при ЭЛС сплава 7150, δ=30 мм; х500

 

 

 

 

Рисунок 2.26 – Микроструктура металла шва в верхней (а), средней (б) и нижней (в) частях шва соединения, полученного при ЭЛС сплава 7150, δ=80 мм; х200

Рисунок 2.27 - Микроструктура соединения, полученного при ЭЛС сплава В96:

а - в зоне сплавления;

б - в центральной части шва; х500

 

        

 

 

 

Рисунок 2.28 - Микроструктура металла шва по месту образования слоев с различной структурой, полученного при ЭЛС сплава В96:

а - зоны с различной величиной субдендритного зерна, х320;

б - зоны с дендритной и субдендритной структурой, х200

 

Основная часть шва имеет субдендритную структуру и отдельные зоны с дендритным строением. На рис.2.27,а представлены микроструктуры вблизи границы сплавления, а на рис.2.27,б и рис.2.28, а, б зоны с различным кристаллическим строением. В металле шва образуются области с крупными и мелкими субдендритами и участки, где наблюдается непосредственный переход от них к дендритному строению (рис.2.29). Склонность металла к растрескиванию в ЗТВ такая же, как и при сварке сплава 7150. Глубина распространения трещин в сторону основного металла составляет 0,9-1,5 мм (рис.2.30).

Общим при сварке сплавов системы Al-Zn-Mg-Cuявляется то, что швы, как уже отмечалось ранее, имеют плотную мелкокристаллическую структуру. Микротрещин в швах сварных соединений не выявлено. Отдельные микропоры обнаружены в корневой части шва сварного соединения , полученного в состоянии закалка + сварка δ=30 мм Ø=0,3 и 0,12 мм. Мелкие поры и несплавления имеют место в корне шва на границе контакта наплавленного металла шва на основной металл.

    Твердость сварных соединений, полученных на металле δ=19-30 мм определяли по середине образца поперек оси шва через каждый 1 мм при нагрузке 1 кг. На сварном соединении полученном на сплаве 7150 δ=80 мм такие измерения выполняли на двух уровнях на расстоянии 1/3 по высоте от поверхности и от корня шва. Измеряли также твердость по высоте этого шва через каждые 2 мм, отступив от поверхности и корня шва по 5 мм.

В качестве примера, результаты измерений твердости представлены на рис. 2.31. Самую низкую твердость имеет металл шва. Для сплава 2024 твердость металла шва составляет 110 кгс/мм , для сплавов 7150 и В96 твердость металлашва - 120 кгс/мм . Для соединения 7150 δ=30-80 мм твердость шва составляет 100и 140 кгс/мм , соответственно. Твердость основного металла составляет 150 кгс/мм², сплавов системы Al-Zn-Mg-Cu( который подвергался искусственному старению до и после сварки) - составляет 180-190 кгс/мм , за исключением сварного соединения, полученного на металле δ=30 мм в состоянии закалка + сварка + искусственное старение (НУ=140 кгс/мм); в то же время твердостьосновного металла δ=80 мм составляет 160 кгс/мм . Несколько ниже твердость основного металла для соединений, полученных на металле в закаленном состоянии и составляет 160 кгс/мм (рис. 2.31, а).

 

Рисунок 2.29 - Микроструктура металла шва в зонах с различной структурой соединения, полученного при ЭЛС сплава В96:

а - су б дендритная;

б- субдендритная + дендритная; х500

Рисунок 2.30 - Микроструктура в зоне сплавления соединения, полученного при ЭЛС сплава В96:

а - микропоры и микротрещины, х320;

б – микротрещина; х500

 

Рисунок 2.31 - Распределение твердости в ЭЛС шве на сплаве 750, δ=30 мм (а, b, с) и δ=80 мм (d) при различных условиях сварки:

а- закалка + сварка;

b - закалка + искусственное старение + сварка;

с, d - закалка + сварка + искусственное старение; две кривых на рис.

d соответствуют твердости на двух уровнях по высоте шва.

 

Характеры изменения твердости в зоне термического влияния различны в зависимости от исходного состояния основного металла и применения операции искусственного старения до и после сварки. Для одних сварных соединений в ЗТВ наблюдаются участки повышения и снижения твердости, для других - только повышение твердости. Величина зоны термического влияния оценивалась путем измерения расстояния между точками снижения твердости с одной стороны и подъема твердости с другой стороны до уровня твердости металла в исходном состоянии. Для сварных соединений, полученных в последовательности закалка + искусственное старение + сварка сплава 2024 она составляет 19 мм, сплава В96 - 20 мм, сплава 7150 δ=30 мм - 20 мм. Для сварных соединений сплава 7150 δ=30 мм, полученных в последовательности закалка + сварка ЗТВ составляет 18 мм, в последовательности закалка + сварка + искусственное старение - 16 мм. При сварке сплава 7150 δ=80 мм протяженность зоны изменения твердости составляет 27 мм, включая шов. Твердость металла шва по его высоте в направлении сверху вниз составляет 144, 155, 142, 147, 143, 140, 145, 138, 142, 140, 140, 140, 153, 140, 140, 140, 141, 149, 139, 148, 145, 145, 139, 139, 137, 134, 136, 140, 142, 144, 148, 145, 146, 140, 138, 132 кгс/мм²

По результатам исследований можно сделать следующие выводы. Установлено, что при электроннолучевой сварке сплава 2024 (система Al-Cu-Mg) в шве формируется обычная дендритная структура. При сварке сплавов 7150, В96 (система Al-Zn-Mg-Cu) наблюдается переход от дендритной формы кристаллизации к су б дендритной. Швы имеют в основном субдендритную структуру, смешанную дендритную + субдендритную. При сварке сплава 7150 толщины 80 мм доля дендритной структуры больше. В этом случае образуются мелкие, равноосные дендриты, их размеры приближаются к размерам субдендритов.

Показано, что при сварке сплавов системы Al-Zn-Mg образуется вдоль границы сплавления неравномерная по толщине зона с более мелким субдендритным зерном, чем в остальной части шва. При формировании в шве дендритной структуры возле границы сплавления наблюдается зона субдендритной структуры.

Неоднородность кристаллической структуры металла шва при сварке сплавов системы Al-Zn-Mg-Cu проявляется в наличии зон (участков) с различной величиной су б дендритного зерна или в образовании слоев с различным дендритным и субдендритным строением. При сварке сплава 2024 неоднородность заключается в формировании мелких, направленных и равноосных дендритов. В швах сварных соединений, полученных при ЭЛС сплава 2024, обнаружены горячие (кристаллизационные) трещины, расположенные по границам кристаллов. Швы на сплавах системы Al-Zn-Mg-Cu отличаются высоким качеством. Кристаллизационных или другого вида трещин не выявлено. В корневой части шва, чаще в проплаве обнаружены отдельные микропоры.

Особенностью сварных соединений исследованных сплавов является образование в металле зоны термического влияния поперечных относительно границы сплавления и ориентированных вдоль проката по границам зерен микротрещин. Протяженность их от границы сплавления в сторону основного металла достигает 1,5 - 1,7 мм. В сварных соединениях сплавов системы Al-Zn- Mg-Cu они затухают у границы сплавления. В сварных соединениях сплавов 2024 часть трещин у границы сплавления затухают, другие непосредственно переходят в трещины металла шва.

Разупрочнение металла, в зоне термического влияния включая шов, не превышает 18-19 мм при сварке сплава 7150 и В96 толщиной 30 мм, и 27 мм толщиной 80 мм.

 

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: