JOK2009 NO 3 - Journal of KONES

Journal of KONES Powertrain and Transport, Vol. 16, No. 3 2009
INFLUENCE OF FRICTION STIR WELDING
ON IMPACT RESISTANCE OF AlZn5Mg1 ALLOY JOINTS
Krzysztof Dudzik, Mirosáaw Czechowski
Gdynia Maritime University
Faculty of Marine Engineering
Morska Street 81-87, 81-225 Gdynia
tel.:+48 58 690 15 49, +48 58 690 13 46, fax: +4858 6901399
e-mail: [email protected]
[email protected]
Abstract
The paper presents the research results on impact resistance of friction stir welded aluminum alloy AW 7020
[AlZn5Mg1]. The joints welded by traditional MIG method of the same aluminium alloy were chosen as
reference points. Friction Stir Welding (FSW) – a new technology can be successfully used for butt welding of
different types of aluminum alloy sheets. The parameters for friction stir welding of sheets made of AlZn5Mg1
[7020] alloy were introduced in the article. Metallographic analysis of bonds showed proper structural
construction of the friction stir welded 7020 aluminum alloys. The impact resistance was examined via the
Charpy test according to PN-EN 10045-1. During test the hammer angle of deflection ȕ after hitting was noted
and next the brake work “L” and impact resistance “U” were determined. The tests were carried out on typical
specimens of cuboids shape (55x10x10 mm), with “V” notch. The research was conducted at the temperature of
+ 20ºC. After impact resistance test the failure surface of specimens was analyzed by scanning with electron
microscope SEM Philips XL30.
The research of impact resistance showed that the values of 7020 alloy welded by FSW method were higher
compared to the properties of 7020 alloy joints welded by traditional MIG method – the average impact resistance
was about 18% higher in case of FSW then in MIG.
Keywords: friction stir welding FSW, aluminium alloys, impact resistance, welding MIG
WPàYW ZGRZEWANIA TARCIOWEGO FSW
NA UDARNOĝû ZàĄCZY SPAJANYCH STOPU AlZn5Mg1
Streszczenie
W artykule przedstawiono wyniki badaĔ udarnoĞci záączy zgrzewanych tarciowo (FSW) stopu AW 7020
(AlZn5Mg1). Jako punkt odniesienia wybrano záącza tego samego stopu spawane tradycyjną metodą MIG.
Nową technologiĊ zgrzewania tarciowego z przemieszaniem materiaáu zgrzeiny FSW (Friction Stir Welding)
moĪna z powodzeniem stosowaü do zgrzewania doczoáowego blach z róĪnego rodzaju stopów aluminium.
Przedstawiono parametry zgrzewania tarciowego (FSW) zastosowane do poáączenia blach ze stopu
AlZn5Mg1 (7020). Analiza metalograficzna wykazaáa poprawną budowĊ strukturalną záączy zgrzewanych
stopu aluminium 7020.
Badania udarnoĞci przeprowadzono metodą Charpy’ego zgodnie z wymaganiami Polskiej Normy PN-EN
10045-1. Podczas badaĔ odczytano kąt wychylenia máota po uderzeniu ȕ a nastĊpnie wyznaczono pracĊ áamania
L oraz udarnoĞü U. Próbki do badaĔ udarnoĞci wykonano jako standardowe, w ksztaácie prostopadáoĞcianu
o wymiarach 55x10x10 mm z zalecaną przez normĊ dokáadnoĞcią ± 0,1 mm, w których wyciĊto karb w ksztaácie litery
V. PróbĊ przeprowadzono w temperaturze + 20ºC. Po badaniach udarnoĞci przeprowadzono analizĊ powierzchni
przeáomów próbek za pomocą mikroskopu elektronowego (SEM) Philips XL30.
Badania udarnoĞci záączy stopu 7020 wykazaáy wyĪszą wartoĞü udarnoĞci w przypadku zastosowania
zgrzewania tarciowego FSW w porównaniu do tradycyjnej metody spawalniczej MIG - Ğrednio udarnoĞü byáa
wyĪsza o ok. 18%.
Sáowa kluczowe: zgrzewanie tarciowe FSW, stopy aluminium, udarnoĞü, spawanie MIG
K. Dudzik, M. Czechowski
1. Wprowadzenie
Przepisy towarzystw klasyfikacyjnych okreĞlają ĞciĞle wymagania stawiane materiaáom
wykorzystywanym w przemyĞle okrĊtowym. WĞród regulowanych kryteriów moĪna wyróĪniü
takie jak: wáasnoĞci wytrzymaáoĞciowe, odpornoĞü korozyjna czy odpornoĞü na obciąĪenia
udarowe. Od kilku lat prowadzone są badania spawalnych stopów aluminium utwardzanych
wydzieleniowo oraz umacnianych przez zgniot na zimno, przeznaczonych na lekkie spawane
konstrukcje okrĊtowe [1-3]. Wzrost zainteresowania konstruktorów stopami aluminium do
budowy kadáubów statków i okrĊtów podyktowany jest przede wszystkim moĪliwoĞcią znacznego
obniĪenia jego masy. Pozwala to na zwiĊkszenie wypornoĞci jednostki páywającej, a przy
zachowaniu wypornoĞci na zwiĊkszenie noĞnoĞci albo prĊdkoĞci.
WĞród spawalnych stopów aluminium do przeróbki plastycznej najpopularniejsza pozostaje
wciąĪ grupa stopów ukáadu Al-Mg (seria 5xxx), o dobrej spawalnoĞci i wzglĊdnie dobrych
wáasnoĞciach w warunkach eksploatacyjnych. Zaletą tych stopów jest ich wzglĊdna niewraĪliwoĞü
na korozjĊ warstwową i korozjĊ naprĊĪeniową, wadą – maáa wytrzymaáoĞü záączy spawanych,
nieprzewyĪszająca 300 MPa. W latach 90-tych duĪe zainteresowanie wzbudziáy stopy ukáadu
Al-Zn-Mg (seria 7xxx). Charakteryzują siĊ one wyĪszymi wáaĞciwoĞciami wytrzymaáoĞciowymi
od wáaĞciwoĞci wytrzymaáoĞciowych stopów Al-Mg. Wadą stopów Al-Zn-Mg jest skáonnoĞü do
korozji naprĊĪeniowej i warstwowej. Praktycznie wszystkie záącza spawane tradycyjnymi
metodami MIG lub TIG, stopów tej grupy nie posiadają wystarczającej odpornoĞci na korozjĊ
naprĊĪeniową lub korozjĊ warstwową i dlatego wciąĪ jedynymi materiaáami na kadáuby jednostek
lekkich pozostają stopy grupy 5xxx Al-Mg.
àączenie aluminium i jego stopów metodami spawalniczymi jest utrudnione ze wzglĊdu na jego
specyficzne wáasnoĞci. Gáówne trudnoĞci, jakie wystĊpują podczas spawania stopów aluminium
wynikają z: duĪego powinowactwa aluminium do tlenu i powstawania trudno topliwego (2060°C)
tlenku Al2O3, wysokiej przewodnoĞci cieplnej, duĪej rozszerzalnoĞci stopów aluminium, duĪego
skurczu odlewniczego (przyczyna odksztaáceĔ i naprĊĪeĔ spawalniczych), znacznymi spadkami
wytrzymaáoĞci w temperaturach spawania, utraty w czasie spawania pierwiastków stopowych takich
jak magnez, cynk czy lit. Wymienione pokrótce gáówne trudnoĞci związane ze spawaniem stopów
aluminium skáaniają do poszukiwania innych metod áączenia tych materiaáów. Taką alternatywĊ
áączenia doczoáowego blach stanowi metoda zgrzewania tarciowego FSW.
Technologia zgrzewania tarciowego z przemieszaniem materiaáu zgrzeiny FSW (Friction Stir
Welding) zostaáa opracowana i opatentowana w 1991r. w Instytucie Spawalnictwa (TWI)
w Cambridge w Wielkiej Brytanii. W metodzie tej do nagrzewania i uplastyczniania materiaáu
zastosowano narzĊdzie z obrotowym trzpieniem umieszczone w miejscu áączenia dociĞniĊtych
blach. Po wprawieniu w ruch obrotowy narzĊdzia z trzpieniem, nagrzaniu ciepáem tarcia
i uplastycznieniu materiaáu blach w bezpoĞrednim jego sąsiedztwie, nastĊpuje wolne przesuwanie
siĊ caáego ukáadu wzdáuĪ linii styku. FSW jest metodą zgrzewania w stanie staáym, dotychczas
gáównie stopów aluminium, miedzi oraz stali nierdzewnych. Gáówną zaletą tej metody jest áatwoĞü
uzyskiwania záączy o wysokich, powtarzalnych wáasnoĞciach [4, 5, 6]. PoniewaĪ jest to metoda
zgrzewania w stanie staáym (poniĪej temperatury topnienia materiaáu) wáasnoĞci
wytrzymaáoĞciowe záączy uzyskane tą metodą mogą byü wyĪsze, niĪ uzyskane technikami
spawania áukowego (MIG, TIG). Jest to szczególnie waĪne biorąc pod uwagĊ fakt, iĪ czĊsto
blachy ze stopu aluminium są poddawane obróbce cieplnej. Z tego powodu tradycyjne metody
spawalnicze, doprowadzając duĪe iloĞci ciepáa, wprowadzają istotne zmiany w strukturze
materiaáu áączonego (szczególnie w strefie wpáywu ciepáa). Powoduje to znaczne zmniejszenie
wáasnoĞci wytrzymaáoĞciowych poáączeĔ spajanych, ale przede wszystkim, drastyczny spadek
odpornoĞci na korozjĊ (naprĊĪeniową i warstwową), szczególnie w agresywnym Ğrodowisku,
jakim jest woda morska.
Zastosowanie zgrzewania tarciowego do áączenia stopów aluminium w budownictwie
okrĊtowym, jest moĪliwe pod warunkiem uzyskania wáasnoĞci, które bĊdą speániaáy wymagania
94
Influence of Friction Stir Welding on Impact Resistance of AlZn5Mg1 Alloy Joints
stawiane przez armatorów i konstruktorów statków. W zaleĪnoĞci od specyfiki zastosowaĔ danej
jednostki páywającej wymagane są indywidualne cechy, jakie muszą byü speánione przez materiaá
zastosowany do jej budowy. Jednym z takich kryteriów jest odpornoĞü na obciąĪenia udarowe.
Materiaá konstrukcyjny uĪywany do tak odpowiedzialnych zastosowaĔ jak elementy wzmacniające
kadáuba czy nawet caáe konstrukcje statków, musi charakteryzowaü siĊ dobrymi wáasnoĞciami
udarowymi, na które moĪe byü naraĪony (np. uderzenia w obiekty znajdujące siĊ w wodzie).
Celem prezentowanej pracy byáo okreĞlenie udarnoĞci záączy zgrzewanych FSW stopu AlZn5Mg1
(AW-7020) w porównaniu ze záączami wykonanymi tradycyjną metodą MIG tego samego stopu.
2. Metodyka badaĔ
Do badaĔ uĪyto stop aluminium EN AW-7020 T6. Skáad chemiczny stopu podano w Tab. 1.
Tab. 1. Chemical composition of 7020 aluminum alloy
Tab. 1. Skáad chemiczny badanego stopu aluminium
Si
0,30
Fe
0,35
Cu
0,10
Skáad chemiczny (% mas.)
Mn
Mg
Cr
Zn
0,24
1,30
0,14
4,70
Ti
0,08
Zr
0,07
Al
reszta
Záącza doczoáowe blach o gruboĞci g = 10 mm wykonano metodą FSW. Blachy zgrzewano
dwustronnie przy takich samych parametrach.
Schemat zgrzewania tarciowego z przemieszaniem materiaáu zgrzeiny (FSW) pokazano na
Rys. 1 natomiast parametry przedstawiono w Tab. 2.
Tab. 2. FSW parameters of 7020 aluminum alloy sheets
Tab. 2. Parametry zgrzewania FSW blach ze stopu 7020
Kąt nachylenia
narzĊdzia D [q]
PrĊdkoĞü
obrotowa
trzpienia
Vn [obr/min]
PrĊdkoĞü liniowa
zgrzewania
Vz [mm/min]
88,5
450
180
Wymiary trzpienia
D
[mm]
d
[mm]
h
[mm]
25
10
5,8
Fig. 1. The diagram of FSW
Rys. 1. Schemat zgrzewania FSW [7]
Badania budowy strukturalnej zgrzeiny wykazaáy jej poprawną budowĊ bez widocznych
nieciągáoĞci w obszarze materiaáu odksztaáconego plastycznie.
Do porównania wykorzystano záącza doczoáowe blach o gruboĞci g = 12 mm, z tego samego
stopu (7020), spawane metodą MIG. Preparatyka záączy spawanych zostaáa wykonana zgodnie
95
K. Dudzik, M. Czechowski
z procedurami wymaganymi przez przemysá okrĊtowy. CiĊcie i ukosowanie brzegów (na Y)
wykonano za pomocą obróbki mechanicznej. Powierzchnie rowka i leĪące w jego bezpoĞrednim
sąsiedztwie, przed spawaniem zostaáy oczyszczone z tlenków za pomocą wirujących szczotek ze
stali nierdzewnej, a nastĊpnie odtáuszczone benzyną ekstrakcyjną. Do spawania zastosowano drut
ze stopu AlMg5 w gatunku Nertalic AG5 firmy SAF, natomiast jako gazu osáonowego uĪyto
argonu o czystoĞci 99,99%. Parametry spawania blach przedstawiono w Tab. 3.
Tab. 3. MIG welding parameters of 7020 aluminum alloy sheets
Tab. 3. Parametry spawania metodą MIG blach ze stopu 7020
ĝrednica drutu
elektrodowego [mm]
NatĊĪenie prądu
spawania [A]
IloĞü warstw
ZuĪycie argonu
[m3/h]
1,6
190-230
4 + podpawanie
16-18
Spoiny zostaáy sprawdzone metodą defektoskopii rentgenowskiej i nie wykazaáy wad
spawalniczych.
Badania udarnoĞci przeprowadzono metodą Charpy’ego zgodnie z wymaganiami Polskiej
Normy PN-EN 10045-1. Podczas badaĔ odczytano kąt wychylenia máota po uderzeniu
ȕ a nastĊpnie wyznaczono pracĊ áamania L oraz udarnoĞü U. Próbki do badaĔ udarnoĞci wykonano
jako standardowe, w ksztaácie prostopadáoĞcianu o wymiarach 55x10x10 mm z zalecaną przez normĊ
dokáadnoĞcią ± 0,1 mm, w których wyciĊto karb w ksztaácie litery V. PróbĊ przeprowadzono
w temperaturze + 20°C.
Dane charakterystyczne zastosowanego w badaniach máota Charpy’ego przedstawiono w Tab. 4.
Tab. 4. Characteristic of Charpy hammer
Tab. 4. WielkoĞci znamionowe máota Charpy’ego
Masa tarczy
m = 9,375 kg
RamiĊ máota
l = 0,825 m
Į = 160º
Kąt wychylenia w poáoĪeniu 1
3. Wyniki badaĔ
Wyniki badaĔ udarnoĞci próbek pobranych zgodnie z warunkami doĞwiadczenia zestawiono
w Tab. 5.
Tab. 5. Results of impact resistance test by Charpy method
Tab. 5. Zestawienie wyników badaĔ udarnoĞci metodą Charpy’ego
Oznaczenie
próbki
Metoda
spajania
Kąt ȕ
[º]
Praca áamania L
[J]
UdarnoĞü
[J/cm2]
UdarnoĞü
Ğrednia
[J/cm2]
Z1
Z2
Z3
FSW
FSW
FSW
120
120
118
33,36
33,36
35,68
26,69
26,69
28,54
27,31
M1
M2
M3
MIG
MIG
MIG
123
126
123
29,97
26,70
29,97
23,98
21,36
23,98
23,11
Przedstawione wyniki jednoznacznie wskazują, iĪ próbki zgrzewane, wykazaáy wiĊkszą
udarnoĞü niĪ próbki spawane. RóĪnica ta wynosi ok. 18%.
96
Influence of Friction Stir Welding on Impact Resistance of AlZn5Mg1 Alloy Joints
Widok próbek po badaniach udarnoĞci zostaá przedstawiony poniĪej. Rys. 2a przedstawia
widok ogólny próbki zgrzewanej metodą FSW natomiast Rys. 2b widok powierzchni uzyskanego
przeáomu tej samej próbki w skali makroskopowej.
a)
b)
Fig. 2. General sight of FSW specimen after impact resistance test
Rys. 2. Widok ogólny próbki zgrzewnej FSW po próbie udarnoĞci
Na Rys. 3a i 3b przedstawiono odpowiednio widok ogólny próbki spawanej metodą MIG oraz
widok powierzchni uzyskanego przeáomu tej samej próbki w skali makroskopowej.
a)
b)
Fig. 3. General sight of MIG specimen after impact resistance test
Rys. 3. Widok ogólny próbki spawanej MIG po próbie udarnoĞci
4. Badania fraktograficzne
Analiza powierzchni przeáomu badanych próbek wykonano za pomocą mikroskopu
elektronowego skaningowego (SEM) Philips XL30.
Na Rys. 4 a, 4b, 4c przedstawiono widok przeáomu próbki spawanej metodą MIG po badaniu
udarnoĞci. Na Rys. 4a widoczne w górnej czĊĞci dno karbu. Rys. 4b i 4c przedstawia to samo
miejsce, ale w wiĊkszym powiĊkszeniu. Struktura przeáomu z licznymi kraterami o postrzĊpionych
krawĊdziach wskazuje na plastyczny charakter pĊkniĊcia.
Na Rys. 5a, 5b, 5c przedstawiono widok przeáomu próbki zgrzewanej tarciowo metodą FSW
po badaniu udarnoĞci. Rysunki przedstawiają to samo miejsce w Ğrodku próbki w róĪnych
powiĊkszeniach. Struktura przeáomu wskazuje na transkrystaliczny charakter pĊkniĊcia.
97
K. Dudzik, M. Czechowski
a)
b)
c)
Fig. 4. A view of a fracture after impact resistance test – specimen welded by MIG
Rys. 4. Widok przeáomu po próbie udarnoĞci – próbka spawana metodą MIG
a)
b)
c)
Fig. 5. A view of a fracture after impact resistance test – specimen welded by FSW
Rys. 5. Widok przeáomu po próbie udarnoĞci – próbka zgrzewana tarciowo metodą FSW
5. Podsumowanie i wnioski
Badania udarnoĞci záączy stopu 7020 wykazaáy wyĪszą wartoĞü udarnoĞci w przypadku
zastosowania zgrzewania tarciowego FSW w porównaniu do tradycyjnej metody spawalniczej
MIG. ĝrednio udarnoĞü byáa wyĪsza o ok. 18% (Tab. 5) na korzyĞü próbek zgrzewanych.
Stosunkowo wysoka wartoĞü udarnoĞci w przypadku záączy wykonanych metodą FSW moĪe byü
spowodowana plastycznym oddziaáywaniem narzĊdzia - mieszaniem materiaáu zgrzeiny.
Wykonane po badaniach udarnoĞci zdjĊcia powierzchni przeáomów, wykazaáy, iĪ próbki
spajane zarówno metodą MIG jak i FSW, pĊkaáy plastycznie. Dodatkowo moĪna stwierdziü brak
porowatoĞci i pĊkniĊü w záączach.
Literatura
[1] Anderson, T., New developments within the Aluminium Shipbuilding Industry, Svetsaren,
Vol. 58, No. 1, 2003.
[2] Bugáacki, H., Wpáyw technologii spawania na odpornoĞü korozyjną stopów Al-Zn-Mg,
International Conference On “:Environmental Degradation of Engineering Materials”,
Politechnika GdaĔska, pp. 260-267, Jurata 1999.
[3] Cudny, K., Puchaczewski, N., Stopy metali na kadáuby okrĊtowe, Politechnika GdaĔska,
GdaĔsk 1995.
[4] Czechowski, M., WáasnoĞci záączy doczoáowych blach ze stopów Al-Mg spajanych róĪnymi
metodami, Materiaáy i Technologie, Politechnika GdaĔska, Nr 1(1), s. 16-19, GdaĔsk 2003.
[5] Czechowski, M., Pietras, A., Zadroga, L., WáasnoĞci stopów aluminium serii 5000 zgrzewanych
tarciowo nową technologią FSW, InĪynieria Materiaáowa, Nr 6, s. 264-266, 2003.
[6] Czechowski, M., ZieliĔski, A., Effect of cathodic polarization on failure and degradation of
mechanical properties of some aluminium alloys, Scripta Metallurgy Materials, Vol. 30, 1994.
[7] Pietras, A., Zadroga, L., àomozik, M., Charakterystyka zgrzeiny utworzonej metodą zgrzewania z
mieszaniem materiaáu zgrzeiny (FSW), Biuletyn Instytutu Spawalnictwa w Gliwicach, Nr 3, 2003.
98