wybrane zagadnienia wytrzymałości połączeń zgrzewanych blach

wybrane zagadnienia wytrzymałości połączeń zgrzewanych blach

Technologia i Automatyzacja Montażu 2/2014
WYBRANE ZAGADNIENIA WYTRZYMAŁOŚCI POŁĄCZEŃ
ZGRZEWANYCH BLACH ALUMINIOWYCH I TYTANOWYCH
Anna RUDAWSKA, Agnieszka GÓRA, Tomasz WARDA
Streszczenie
W artykule zaprezentowano wybrane zagadnienia montażu połączeń zgrzewanych blach aluminiowych i tytanowych. Do wykonania połączeń zgrzewanych wykorzystano blachę wykonaną ze stopu aluminium o oznaczeniu 2024 (wg normy europejskiej
EN AW-2024 T42 AlCu4Mg1) oraz blachę wykonaną z czystego tytanu o oznaczeniu CP2 (wg normy amerykańskiej ASTM F
67:2000-Ti Grade 2). Analizowano połączenia zakładkowe, nakładkowe i dwunakładkowe, wykonane z blach o grubościach:
0,64 oraz 0,81 mm, obciążone na ścinanie. Połączenia wykonano przy różnych parametrach technologicznych zgrzewania,
metodą zgrzewania punktowego, zgodnie z normą PN-EN ISO 18592:2010 oraz według instrukcji technicznych IT – 210 oraz
IT – 234, dotyczących wykonania połączeń zgrzewanych. Zgrzeiny rozmieszczono zgodnie z normą PN-74/M-69020. Badania
doświadczalne polegały na analizie porównawczej wytrzymałości połączeń, wykonanych z różnych materiałów konstrukcyjnych, przy różnych parametrach technologicznych zgrzewania. Analizując i porównując uzyskane wyniki, można stwierdzić,
że wytrzymałość połączeń zgrzewanych zależy zarówno od parametrów technologicznych, jak również konstrukcyjnych. Wraz
ze wzrostem grubości zgrzewanego materiału wytrzymałość połączeń wzrasta. Ponadto materiały konstrukcyjne, które mają
lepsze właściwości mechaniczne, wykazują zdecydowanie wyższą wytrzymałość, tak jak w przypadku tytanu technicznego.
Słowa kluczowe
połączenia zgrzewane, stop aluminium, tytan, wytrzymałość połączeń
1. Wprowadzenie
Stopy tytanu i aluminium mają duże znaczenie przede
wszystkim dla przemysłu lotniczego, a obecnie coraz
częściej również tam, gdzie zmniejszenie masy konstrukcji umożliwia zmniejszenie zużycia energii. Przykładem
może być przemysł samochodowy, w którym obserwuje się systematyczny wzrost zastosowania stopów aluminium. Wynika to nie tylko z dążenia do zmniejszenia
kosztów eksploatacji, ale także związane jest z wymogami ochrony środowiska.
Celem pracy jest przeprowadzenie analizy wytrzymałości połączeń wykonanych z blachy ze stopów aluminium i czystego technicznie tytanu, z wykorzystaniem
zgrzewania punktowego. Analizowano połączenia jednozakładkowe, nakładkowe i dwunakładkowe, obciążone
na ścinanie, ze względu na ich największą wytrzymałość.
Połączenia wykonano przy różnych parametrach technologicznych zgrzewania. Badania doświadczalne polegały
na analizie porównawczej wytrzymałości połączeń, wykonanych z różnych materiałów konstrukcyjnych, przy
określonych parametrach technologicznych zgrzewania.
Na podstawie wyników badań możliwe było porównanie
siły niszczącej różnych rodzajów połączeń, wskazując na
najbardziej korzystny rodzaj połączeń spośród badanych
wariantów połączeń, m.in. pod względem konstrukcyjnym.
Zamieszczone w pracy badania zostały wykonane
w jednym z zakładów przemysłowych mieszczącym się
na terenie Lubelszczyzny. Wyniki tych badań przyczyniły
się do wprowadzenia zmian w technologii wykonywania
połączeń zgrzewanych, zwłaszcza blach tytanowych.
2. Metodyka badań
2.1. Charakterystyka łączonych materiałów
Do wykonania połączeń zgrzewanych wykorzystano
próbki wykonane z blach ze stopu aluminium o oznaczeniu EN AW-2024 [1] (wg normy europejskiej EN AW2024 T42 AlCu4Mg1) oraz z blach z czystego tytanu
o oznaczeniu CP2 [2] (wg normy amerykańskiej ASTM
F 67:2000 – Ti Grade 2) o dwóch grubościach 0,64 mm
i 0,81 mm.
Stop aluminium EN AW-2024 T42, jeden z podstawowych materiałów wykorzystywanych do produkcji tworzyw konstrukcyjnych, zwłaszcza w budowie samolotów
i statków kosmicznych, ze względu na wysoki wskaźnik
własności wytrzymałościowych odniesionych do gęstości, czyli tzw. wytrzymałości właściwej [3]. Symbol T42
oznacza stan utwardzenia materiałów, obrobionych cieplnie w kąpieli i starzonych w naturalny sposób. Niektóre
właściwości mechaniczne badanych blach zamieszczono w normie PN-EN 485-2:2009 [4].
Do jednych z częściej stosowanych materiałów można
zaliczyć czysty technicznie tytan CP2, najbardziej rozpowszechniony gatunek stosowany w wielu gałęziach przemysłu, w tym także w przemyśle lotniczym.
61
TiAM_2_2014.indd 61
2014-05-13 12:21:29
2/2014 Technologia i Automatyzacja Montażu
Tabela 1. Wymiary geometryczne próbek wykonanych ze stopu aluminium i tytanu
Table 1. Dimensions of aluminium alloy and titanium samples
Rodzaj
materiału
Grubość materiału
mm
0,64
EN AW-2024 T42
0,81
0,64
CP2
0,81
Długość zakładki
mm
Rodzaj
połączenia
Liczba zgrzein
12
jednozakładkowe
2
24
nakładkowe
4
24
dwunakładkowe
4
16
jednozakładkowe
2
28
nakładkowe
4
28
dwunakładkowe
4
12
jednozakładkowe
2
24
nakładkowe
4
24
dwunakładkowe
4
16
jednozakładkowe
2
28
nakładkowe
4
28
dwunakładkowe
4
2.2. Charakterystyka konstrukcyjna połączeń zgrzewanych
Połączenia zgrzewane zostały wykonane metodą
zgrzewania punktowego, zgodnie z normą PN-EN ISO
18592:2010 [5], według zakładowych instrukcji technicznych IT-210 oraz IT-234, dotyczących wykonania połączeń zgrzewanych. Zgrzeiny rozmieszczono zgodnie
z normą PN-74/M-69020 [6]. Określono także średnicę
zgrzeiny (zależną od grubości łączonej blachy) oraz długość zakładki dla poszczególnych wariantów połączeń.
Zestawienie wymiarów geometrycznych próbek przedstawiono w tabeli 1.
Na rys. 1 przedstawiono schematy wybranych połączeń jednozakładkowych oraz dwunakładkowych, dwóch
gatunków blach o różnych grubościach.
Rys. 1. Schemat połączeń: a) – jednozakładkowych, b) – dwunakładkowych
Fig. 1. The scheme of joints: a) – single-lap, b) – double-sided
strapped
Długość łączonych elementów wynosiła 100 ± 1,2 mm;
szerokość natomiast 25 ± 1,5 mm.
2.3. Sposób przygotowania powierzchni
Przygotowanie powierzchni łączonych materiałów
wykonano zgodnie z instrukcjami przyjętymi w zakładzie
przemysłowym, w którym były wykonywane połączenia.
Powierzchnie próbek, wykonanych z blachy tytanowej,
poddano operacji piaskowania, szlifowania oraz trawienia. W operacji piaskowania zastosowano ścierniwo
elektrokorund, którymi została pokryta powierzchnia pod
ciśnieniem 6×105 Pa. Szlifowanie wykonano za pomocą
ściernicy listkowej. Ostatnią operacją było trawienie, które zostało poprzedzone operacją mycia poprzez płukanie
materiałów w zimnej wodzie. Trawienie przeprowadzono
w wodnym roztworze wodorotlenku sodu NaOH o stężeniu 40 ÷ 60 g/l przez około 10 minut w temperaturze
40 ÷ 60°C, a następnie próbki zostały poddane operacji
płukania w ciepłej wodzie i pozostawione do wyschnięcia.
Powierzchnie stopu aluminium poddano operacji trawienia w wodnym roztworze wodorotlenku sodu NaOH
o stężeniu 40 ÷ 60 g/l przez około 3 ÷ 4 minuty w temperaturze 40 ÷ 60°C. Przed operacją trawienia badane
próbki odtłuszczono poprzez zanurzenie w wodnym
roztworze Emulsolu RN-1 (mieszanina związków organicznych i powierzchniowo czynnych). Po trawieniu
przeprowadzono operację płukania w ciepłej wodzie
i pozostawiono próbki do wyschnięcia. Przed wykonaniem połączeń na zgrzewarce, powierzchnie próbek zostały oczyszczone acetonem i pozostawione do odparowania na około 3 minuty.
2.4. Wykonanie połączeń zgrzewanych
Wielkość dobranych parametrów zgrzewania w celu
wykonania połączeń została przedstawiona w tabeli 2.
Parametry do wykonania połączeń zostały dobrane
w zależności od rodzaju i grubości materiałów. Dla blachy
62
TiAM_2_2014.indd 62
2014-05-13 12:21:29
Technologia i Automatyzacja Montażu 2/2014
Tabela 2. Parametry zgrzewania
Table 2. Welding parameters
Rodzaj
materiału
Grubość
materiału
mm
0,64
EN AW-2024
T42
0,81
0,64
CP2
0,81
Rodzaj
połączenia
Siła docisku
elektrody
N
Natężenie
prądu
zgrzewania
kA
Czas przepływu
prądu
zgrzewania
s
jednozakładkowe
225
21
0,08
nakładkowe
230
23
0,10
dwunakładkowe
230
23
0,10
jednozakładkowe
235
25
0,12
nakładkowe
240
27
0,14
dwunakładkowe
240
27
0,14
jednozakładkowe
200
5
0,10
nakładkowe
240
7
0,12
dwunakładkowe
240
7
0,12
jednozakładkowe
250
9
0,14
nakładkowe
260
11
0,16
dwunakładkowe
260
11
0,16
o większej grubości zostało przyjęte większe natężenie
prądu i większa wartość siły docisku, zarówno dla stopu
aluminium, jak również dla tytanu technicznego, zgodnie
z instrukcjami zakładowymi. W przypadku stopu aluminium przyjęto znacznie większe wartości natężenia prądu
ze względu na dużą przewodność cieplną oraz elektryczną tego materiału. Dla tytanu technicznego zastosowano
większą siłę docisku, którą dobrano ze względu na jego
lepsze właściwości mechaniczne. Połączenia zgrzewane
zostały wykonane na zgrzewarce ZPM 50, która posiada
pneumatyczny układ dociskowy.
Następnie partie próbek poddano próbie niszczącej
w celu wyznaczenia wytrzymałości połączeń na ścinanie.
Próbki połączeń zostały zamocowane w szczękach maszyny wytrzymałościowej Zwick/Roell Z150, a badania
przeprowadzono zgodnie z normą DIN EN 1465 [7].
Azp– pole przekroju 1 zgrzeiny,
m – liczba przekrojów ścinanych,
m = 1 – dla połączeń zakładkowych, nakładkowych,
m = 2 – dla połączeń dwunakładkowych,
kt1 – naprężenia dopuszczalne dla zgrzeiny ścinanej.
Wyniki wytrzymałości połączeń zgrzewanych blach ze
stopu aluminium o różnych wariantach konstrukcyjnych
zaprezentowano na rys. 2, a na rys. 3 – dla połączeń
zgrzewanych blach tytanowych.
Największą
wytrzymałość
uzyskały
połączenia
zakładkowe blach tytanowych o grubości 0,64 mm
(38,09 MPa), a najmniejszą połączenia dwunakładkowe,
także o grubości 0,64 mm (5,56 MPa). Większe wytrzymałości (poza połączeniami zakładkowymi), otrzymano
w przypadku większej grubości blachy.
3. Wyniki badań
Badaniom wytrzymałościowym poddano po 10 identycznie wykonanych połączeń jednozakładkowych, nakładkowych
i dwunakładkowych. Odrzucono po dwa
skrajne wyniki o najmniejszej i największej
wartości siły niszczącej. Wytrzymałość
zgrzein punktowych ścinanych w płaszczyźnie styku przyłączy została wyznaczona z następującej zależności [8]:
τ = F / n ⋅ m ⋅ Azp ≤ kt1 gdzie:
F – siła obciążająca połączenie,
n – liczba zgrzein,
(1)
Rys. 2. Wytrzymałość połączeń zgrzewanych blach ze stopu aluminium
Fig. 2. Welded joints strength of aluminium alloy sheets
63
TiAM_2_2014.indd 63
2014-05-13 12:21:29
2/2014 Technologia i Automatyzacja Montażu
Na podstawie przeprowadzonych badań doświadczalnych można stwierdzić
m.in., że:
••wraz ze wzrostem grubości łączonych
elementów wzrasta także wytrzymałość;
••w większości przypadków najmniejszą
wytrzymałością charakteryzuje się konstrukcja dwunakładkowa połączeń zgrzewanych,
••połączenia z dwiema zgrzeinami charakteryzują się wyższą wytrzymałością,
••zwiększenie siły docisku pozwala na
otrzymanie połączeń o wyższej wytrzymałości,
Rys. 3. Wytrzymałość połączeń zgrzewanych blach tytanowych
Fig. 3. Welded joints strength of titanium sheets
Otrzymane wyniki badań poddano analizie statystycznej z wykorzystaniem odpowiednich modeli i testów statystycznych [9], na podstawie których zauważono, że
brak jest statystycznie istotnych różnic w porównywanych wartościach średnich wytrzymałości na poziomie
ufności α = 0,05.
4. Omówienie wyników
••większą wytrzymałość otrzymano dla
połączeń zgrzewanych blach tytanowych.
Badania przeprowadzono, stosując określone parametry technologiczne procesu zgrzewania, odnoszące
się do właściwości badanych materiałów oraz geometrii
elementów z nich wykonanych.
Analizując i porównując uzyskane wyniki, można
stwierdzić, że wytrzymałość połączeń zgrzewanych zależy zarówno od parametrów technologicznych, jak również konstrukcyjnych. Materiały konstrukcyjne o lepszych
Z przeprowadzonych badań wynika, że w przypadku
połączeń zakładkowych z dwiema zgrzeinami, największą wytrzymałością charakteryzują się połączenia o grubości równej 0,64 mm, wykonane z czystego technicznie
tytanu, natomiast 6 razy mniejszą mają próbki wykonane
z blachy aluminiowej o grubości 0,64 mm.
Porównując wyniki wytrzymałościowe połączeń dwunakładkowych, można stwierdzić, że największa wytrzymałość występuje w połączeniach wykonanych z blachy
tytanowej o grubości 0,81 mm, natomiast najmniejsza
w próbkach z blachy aluminiowej o grubości 0,64 mm.
Większa wytrzymałość połączeń z blachy tytanowej wynika z lepszych własności wytrzymałościowych materiału
na rozciąganie, która w przypadku czystego technicznie
tytanu wynosi 490 MPa [10], o wyższej wytrzymałości połączeń świadczy również jego lepsza zgrzewalność.
Zauważono także, że w przypadku połączeń ze stopu
aluminium nie występują tak duże różnice w otrzymanych wynikach w zależności od wariantu konstrukcji, niż
w przypadku połączeń zgrzewanych blach tytanowych.
5. Wnioski
Przeprowadzone badania miały na celu określenie
wytrzymałości połączeń zgrzewanych wybranych materiałów konstrukcyjnych, stosowanych na elementy konstrukcji lotniczych. Analizie zostały poddane dwa gatunki
materiałów w postaci blach ze stopu aluminium EN AW
– 2024 T42 oraz tytanu technicznego CP2.
właściwościach mechanicznych wykazują zdecydowanie
wyższą wytrzymałość, tak jak w przypadku tytanu technicznego.
Przeprowadzone badania potwierdzają informacje
przedstawione w literaturze, iż w procesie zgrzewania
wytrzymałość na ścinanie zgrzeiny punktowej zależy od
gatunku materiału, grubości, warunków zgrzewania, podziałki zgrzeiny i wielkości zakładki.
LITERATURA
1. EN 573-3:2009: Aluminium and aluminium alloys.
Chemical composition and form of wrought products.
Chemical composition and form of products.
2. ASTM B265: Standard Specification for Titanium and
Titanium Alloy Strip, Sheet, and Plate.
3. Praca zbiorowa pod red. J. Pilarczyka, E. Śledziewskiego: Poradnik inżyniera. Spawalnictwo, Tom I i II.
Wydawnictwo Naukowo – Techniczne, Warszawa
2003.
4. PN-EN 485-2:2009: Aluminium i stopy aluminium.
Blachy, taśmy i płyty. Część 2: Własności mechaniczne.
5. PN–EN ISO 18592:2010: Zgrzewanie rezystancyjne
– Badanie niszczące zgrzein – Metoda badania na
zmęczenie próbek zgrzanych wielopunktowo.
6. PN-74/M-69020: Spawalnictwo. Klasyfikacja jakości
zgrzein punktowych.
7. DIN EN 1465: Adhesives – Determination of tensile
lap-shear strength of bonded assemblies.
64
TiAM_2_2014.indd 64
2014-05-13 12:21:30
Technologia i Automatyzacja Montażu 2/2014
8. Rutkowski A.: Części maszyn. Wydawnictwo Szkolne i Pedagogiczne, Warszawa 2003.
9. Krysicki W. i in.: Rachunek prawdopodobieństwa
i statystyka matematyczna w zadaniach. Cz. II. Statystyka matematyczna. PWN, Warszawa 1999.
10. Praca zbiorowa pod red. Dietricha M.: Podstawy
konstrukcji maszyn. Tom II. Wydawnictwo Naukowo
– Techniczne, Warszawa 2007.
______________________
Dr hab. inż. Anna Rudawska – Katedra Podstaw Inżynierii Produkcji, Politechnika Lubelska, ul. Nadbystrzycka
36, 20-618 Lublin, e-mail: [email protected].
Mgr inż. Agnieszka Góra – PZL Świdnik SA, Aleja Lotników Polskich 1, 20-040 Świdnik.
Mgr inż. Tomasz Warda – Katedra Podstaw Inżynierii
Produkcji, Politechnika Lubelska, ul. Nadbystrzycka 36,
20-618 Lublin.
SELECTED ISSUES OF WELDED JOINTS OF ALUMINIUM
AND TITANIUM SHEETS STRENGTH
Abstract
The article presents selected issues of aluminium and titanium sheets welded joints assembly. To make joints the aluminium
alloy 2024 (according to European Standard EN AW-2024 AlCu4Mg1 T42) and pure titanium of CP2 (according to American standard ASTM F 67:2000-Ti Grade 2) were used. The following joints were analysed: single lap, single-sided strapped,
double-sided strapped joints made from sheet metal of thicknesses: 0.64 and 0.81 mm, and were subjected to shear. The connection is made with a variety of technological parameters of welding, spot welding method according to standard PN-EN ISO
18592:2010, and according to the technical instructions IT-210 and IT-234, regarding implementation of the welded connection.
Welds are made according to standard PN-76/M-69020. Experimental study consists on the analysis of the joints strength made
of various construction materials and that used different technological parameters of welding. By analysing and comparing
the results, it can be concluded that the strength of the welded joints depends on both technological parameters as well. The
increase of the thickness of the joining material causes the increase of the strength. In addition, construction materials, which
have better mechanical properties, obtained the higher strength, as in the case of titanium.
Keywords
welded joints, aluminium alloy, titanium, joints strength
65
TiAM_2_2014.indd 65
2014-05-13 12:21:30