Лазерный мир

Иванов С.Ю., Кархин В.А., Михайлов В.Г., Мартикайнен Ю., Хилтунен Э. // Журнал: Известия Тульского государственного университета. Технические науки, Издательство: ульский государственный университет (Тула), ISSN: 2071-6168, Номер: 6-2 Год: 2015 Страницы: 66-74, УДК: 621.791

Аннотация
Исследованы микроструктура и распределение химических элементов в сварных соединениях из Al-Mg-Si сплава 6005-T6, полученных лазерной сваркой. Выявлена сегрегация химических элементов по границам зерен в зоне термического влияния. 
Разработана методика, позволяющая оценивать склонность сварных соединений из алюминиевых сплавов к образованию ликвационных трещин с учетом локальных свойств металла, условий сварки и жесткости конструкции.

Введение
Комплекс физико-механических свойств алюминиевых сплавов позволяет их использовать в ответственных сварных конструкциях авиа-, судо- и ракетостроении. Широкому внедрению сплавов препятствует их склонность к горячим трещинам как ликвационного, так и кристаллизационного происхождения. Ликвационные трещины возникают в зоне термического влияния (ЗТВ) соединения, в то время как кристаллизационные трещины — в металле шва. Малые размеры ликвационных трещин и их локализация не позволяют использовать методы неразрушающего контроля для их регистрации. Наличие же микроразрывов металла в ЗТВ оказывает существенное влияние на прочность соединения и, особенно, на сопротивление усталостному разрушению [1].
Склонность алюминиевого сплава к ликвационным трещинам зависит от системы легирования и конкретного химического состава. Известно, что Al-Mg-Si сплавы склонны к образованию ликвационных трещин в зоне частичного плавления (ЗЧП) при нагреве выше эвтектической температуры TE [1-6].
В литературе описаны два типа критериев образования горячих трещин: немеханический и механический. Первый вид основывается на температурном интервале хрупкости, фазовой диаграмме и параметрах процесса [2, 3, 7], второй – на критических значениях напряжений, деформаций и скоростях деформации [6, 8-10]. Однако ни один из существующих критериев не дает прямого ответа на вопрос: образуется или нет ликвационная трещина и каково ее положение, форма и длина? Причина тому – недостаточное понимание механизмов образования ликвационной трещины.
Цель работы – исследование причин возникновения ликвационных трещин в AlMg-Si сплавах при лазерной сварке и моделирование склонности сварных соединений алюминиевых сплавов к образованию ликвационных трещин с учетом локальных свойств металла, условий сварки и жесткости конструкции.

Методика проведения исследований
Основной металл – термически упрочненный и стабилизированный алюминиевый сплав 6005-Т6 (0.58% Mg, 0.70% Si, 0.11% Cu, 0.19% Mn, 0.04% Zn). Теплофизические
свойства сплава для решения термомеханической задачи были рассчитаны в пакете PandatTM, базирующемся на методе CALPHAD [11]. Сварка выполнялась с использованием волоконного лазера на следующем режиме: мощность лазера 8.3 кВт; скорость сварки 20 мм с -1; начальная температура 293 К. Сварка пластин размером 150x100x6 мм производилась внахлест без использования присадочной проволоки. 
Температурные зависимости предела текучести, модуля упругости и дилатограмма при сварочном цикле нагрева и охлаждения и температурные зависимости пластичности основного металла получены с помощью установки Gleeble 3800 System [4, 6]. В температурном интервале хрупкости, границы которого соответствуют 5% деформации и доли твердой фазы fS = 0.50 – 0.80 [10], пластичность сплава 6005-Т6 резко падает с минимумом при доли твердой фазы fS = 0.65 (рис. 1).

Задача теплопроводности была решена методом конечных элементов. Параметры теплового источника, описывающие трехмерное распределение мощности лазерного луча в сварном соединении, находили методом обратного моделирования [12, 13]. Расчетные форма и размеры сварочной ванны и шва удовлетворительно соответствуют эксперименту (рис. 2). Из рисунка видно, что верхняя пластина претерпевает больший нагрев и, следовательно, имеет более широкую ЗЧП (884 – 927 К), чувствительную к образованию ликвационных трещин.

Результаты и обсуждение
Исследование сварных соединений На микрошлифах сварных соединений хорошо видны ликвационные трещины в ЗТВ вблизи линии сплавления (рис. 3). Видно, что разрушения происходит строго по границам зерен, обогащенных Mg и Si. Трещины ориентированы преимущественно параллельно границе шва и нормально температурному градиенту при сварке. Берега трещин расходятся в среднем на 1.5 мкм, но в отдельных участках могут достигать 5 мкм. Размер трещин не позволяет использовать ультразвуковой и рентгенографический контроль для их выявления.

Микрохимический анализ показал, что сегрегация химических элементов происходит по границам, нормальным температурному градиенту при сварке, в то время как границы, расположенные по направлению распространения теплоты, не претерпевают изменения (рис. 4а). Максимальное замеренное повышение концентрации кремния составило 50% и Mg — 40%, что согласно тройной диаграмме состоянии Al-Mg-Si приводит к локальному понижению температуры ликвидус на 8.3 K по сравнению с матрицей. Отметим, что распределение концентрации не симметрично относительно границы зерна, максимум концентрации смещен к границе шва (рис. 4б). Это объясняется сегрегацией ликвирующих элементов Mg и Si. При охлаждении фронт затвердевания жидкой прослойки на границе зерен движется в сторону шва (от точки B к точке A, рис. 4а). За счет повышенной растворимости Mg и Si в жидкости проходит восходящая диффузия элементов в оставшуюся жидкость, что приводит к обогащению этими элементами границ зерен со стороны шва и обеднению ими со стороны основного металла (рис. 4б) [14]. Зона конца затвердевания границы зерна, где концентрация ликвирующих элементов максимальна, является зоной повышенной вероятности образования ликвационной трещины.

Выводы
1. Разработанная методика позволяет оценивать чувствительность сварных соединений из алюминиевых сплавов к образованию ликвационных трещин с учетом локальных свойств металла, условий сварки и жесткости конструкции.
2. Выявлена сегрегация химических элементов по границам зерен в ЗТВ сварных соединений из сплава 6005-T6. Максимальное повышение концентрации по сравнению с матрицей составило 50% для Si и 40% для Mg.
3. В температурном интервале хрупкости пластичность сплава 6005-T6 резко падает с минимумом при доли твердой фазы 65%. При соответствующей температуре твердожидкий метал зоны частичного плавления подвергается интенсивному пластическому деформированию, что приводит к образованию ликвационных трещин.

Полное содержание статьи: http://comhightech.tsu.tula.ru/weldsim/pdf/Karhin_2.pdf