Jak ograniczyć odkształcenia podczas spawania grubych elementów aluminiowych

W przemyśle lotniczym, stoczniowym, kolejowym, w sektorze pojazdów specjalnych oraz w przypadku dużych maszyn coraz częściej potrzebne są lekkie konstrukcje o dużej wytrzymałości, długiej trwałości i odporności na korozję. Stopy aluminium są ważnymi materiałami konstrukcyjnymi, ponieważ łączą w sobie wysoką wytrzymałość, niską masę, dobrą plastyczność oraz dobrą odporność na korozję.

Badania nad aluminium o wysokiej wytrzymałości rozpoczęto w Stanach Zjednoczonych w latach 40. XX wieku. W 1956 roku wyprodukowano próbną partię blachy 5083 Al-Mg-Mn utwardzanej odkształceniem. Ponieważ jej ogólne właściwości były ograniczone w niektórych zastosowaniach wymagających wysokiej wytrzymałości, na początku lat 60. pojawił się stop 7039 Al-Zn-Mg poddawany obróbce cieplnej. Jego duża podatność na pękanie korozyjne naprężeniowe sprawiała jednak, że nie nadawał się do długotrwałego narażenia na działanie wody morskiej lub mgły solnej. W latach 80. Stany Zjednoczone, dawny Związek Radziecki i inne kraje opracowały nową generację stopów o wysokiej wytrzymałości. Opracowany w USA stop 2519-T87 Al-Cu charakteryzuje się wysoką wytrzymałością, zrównoważonymi właściwościami mechanicznymi, odpornością na korozję naprężeniową oraz spawalnością.

Stopów o wysokiej wytrzymałości nowej generacji, a zwłaszcza stopów Al-Cu serii 2xxx, zapewniają większą wytrzymałość konstrukcyjną oraz lepszą odporność na korozję naprężeniową w przypadku dużych konstrukcji eksploatowanych w trudnych warunkach. Spawanie nadal powoduje zmiękczenie spoiny i niski współczynnik wytrzymałości spoiny. Duże konstrukcje precyzyjne wymagają ponadto, aby odkształcenia spawalnicze nie przekraczały jednej trzeciej wartości występującej w przypadku spawania konwencjonalnego.

Wyzwania związane z produktami i procesami

Głównymi trudnościami są znaczne zmiękczenie połączeń i niski współczynnik wytrzymałości; ogniotrwała warstwa powierzchniowa z Al₂O₃ o temperaturze topnienia 2 060 °C; wysokie zapotrzebowanie na energię związane z grubym materiałem o wysokiej wytrzymałości; podatność na pęknięcia termiczne i porowatość; oraz odkształcenia spowodowane wysoką przewodnością cieplną i dużym współczynnikiem rozszerzalności liniowej. Odkształcenia stają się szczególnie trudne do opanowania przy grubościach powyżej 20 mm, dlatego środki zaradcze muszą być technicznie uzasadnione i praktyczne z punktu widzenia produkcji warsztatowej.

Środki mające na celu ograniczenie zniekształceń

1. Wybierz proces spawania

Gruba płyta aluminiowa szybko przewodzi ciepło i sprzyja procesom o dużej gęstości mocy. W wyniku testów spawania metodą MIG jedno- i dwuprzewodową, spawania wiązką elektronową, spawania z mieszaniem tarciowym oraz spawania hybrydowego laserowo-MIG jako proces produkcyjny wybrano spawanie dwuprzewodowe.

W technologii MIG z jednym drutem zastosowano złożone impulsy o niskiej częstotliwości. Drgania jeziorka spawalniczego nasiliły mieszanie, sprzyjały heterogenicznej nukleacji podczas krzepnięcia, doprowadziły do udoskonalenia struktury spoiny oraz poprawiły jej wytrzymałość i plastyczność dzięki mieszaniu elektromagnetycznemu. Połączenie osiągnęło lub przekroczyło docelową wytrzymałość na rozciąganie. Badania pozwoliły ustalić korzystną kombinację prędkości przesuwu, natężenia prądu oraz impulsów modulacyjnych o niskiej częstotliwości.

Szybkie spawanie dwuprzewodowe pozwoliło uzyskać połączenie o wysokiej wytrzymałości. Porównanie spawania MIG dwuprzewodowego z dwoma przejściami przy wysokim natężeniu prądu oraz czterema przejściami przy niskim natężeniu prądu doprowadziło do ustalenia parametrów wieloetapowego spawania przy wysokim natężeniu prądu, łączących zalety obu metod. Wytrzymałość na rozciąganie połączenia wyniosła 296 MPa, co odpowiada 62% metalu podstawowego, a udarność wyniosła 13 J/cm², co odpowiada 42% metalu podstawowego.

Porównano trzy metody: spawanie konwencjonalne z rowkiem w kształcie litery Y, spawanie z rowkiem w kształcie litery X oraz spawanie wibracyjne z rowkiem w kształcie litery X. Rowek w kształcie litery X ograniczył odkształcenia do jednej piątej wartości uzyskanej w przypadku spawania konwencjonalnego, natomiast spawanie wibracyjne ograniczyło je jeszcze bardziej.

2. Obliczenie i optymalizacja sekwencji spawania

W przypadku dużej konstrukcji z wieloma spoinami należy ponumerować każdą spoinę i określić początkową kolejność na podstawie cech konstrukcyjnych. Na przykład w konstrukcji z 16 głównymi spawami początkowo zastosowano kolejność: 1, 3, 4, 2, 5, 6, 7, …, 16. Analiza metodą elementów skończonych pozwala porównać potencjalne sekwencje i wybrać tę, która powoduje mniejsze odkształcenia i zapewnia korzystniejszy rozkład naprężeń.

Najpierw należy przeanalizować sekwencję przejść w ramach pojedynczego spoiny wieloprzebiegowej, ponieważ wpływa ona zarówno na wielkość, jak i rozkład naprężeń szczątkowych. Ustalenie sekwencji przejść zapewniającej niskie naprężenia przed spawaniem warsztatowym pomaga ograniczyć końcowe naprężenia szczątkowe.

Następnie należy zoptymalizować ogólną kolejność szwów. Zmiana kolejności otwierania z 1, 3, 4, 2 na 1, 3, 2, 4 znacząco wpłynęła na rozkład naprężeń. Druga kolejność zmniejszyła obszar, w którym naprężenia przekraczały 300 MPa, co może poprawić odporność na pękanie korozyjno-naprężeniowe.

3. Zastosowanie odprężania wibracyjnego w celu ustabilizowania naprężeń i wymiarów

Naprężenie dynamiczne jest kluczowym parametrem w procesie odprężania wibracyjnego. Wzbudnik wywiera naprężenie dynamiczne odpowiadające cyklicznemu obciążeniu przemiennemu. Gdy naprężenie to łączy się z pierwotnym naprężeniem szczątkowym i powoduje lokalne lub ogólne odkształcenie plastyczne, naprężenie szczątkowe może ulec rozluźnieniu, stać się bardziej jednolite i zmniejszyć się, podczas gdy matryca metalowa staje się bardziej odporna na odkształcenia.

Ogólne kryteria to σ_dynamiczny + σ_resztowy ≥ σ_s, gdzie σ_s jest to granica plastyczności niezbędna do rozprzestrzenienia się odkształcenia plastycznego i wywołania odkształcenia makroskopowego; σ_dynamiczny/σ_resztowy = 0,1–0,3; a amplituda naprężenia dynamicznego powinna wynosić od jednej trzeciej do dwóch trzecich naprężenia roboczego elementu. W odpowiednim zakresie większe naprężenie dynamiczne powoduje większe odkształcenie i skuteczniej rozładowuje naprężenia. Nadmierne naprężenie dynamiczne może spowodować uszkodzenie obrabianego elementu lub skrócić jego trwałość zmęczeniową.

W badaniach wykorzystano urządzenie do wibracyjnego odprężania WZ-86A wyprodukowane przez firmę Hailun Vibratory Stress Relief Equipment Co., Ltd. Proces ten pozwolił utrzymać naprężenia szczątkowe spoiny w granicach 0,3σ_s.

W ramach badań ustalono i wdrożono parametry odprężania wibracyjnego dostosowane do konkretnego produktu.

Wynik kontroli

Proces spawania dostosowany do warunków produkcyjnych, badania porównawcze różnych kształtów rowków, parametrów i sekwencji oraz odprężanie wibracyjne pozwoliły zmniejszyć naprężenia szczątkowe i odkształcenia bez pogorszenia właściwości mechanicznych ani odporności na korozję. Zoptymalizowany proces ograniczył odkształcenia do jednej trzeciej wartości uzyskiwanej przy spawaniu konwencjonalnym, spełniając tym samym wymagania projektowe i produkcyjne dotyczące dużych konstrukcji o wysokiej wytrzymałości.

Oprócz przemysłu lotniczego i kosmicznego, przemysłu stoczniowego, transportu kolejowego oraz przemysłu maszyn wielkogabarytowych metoda ta może znaleźć zastosowanie w przypadku wybranych pojazdów specjalnych, lekkich konstrukcji ochronnych oraz innych elementów aluminiowych o wysokiej wytrzymałości.