Всё для надежной сварки
Печатная версия материала с сайта svarkainfo.ru - портала о сварке. При использовании материалов с сайта, пожалуйста, всегда указывайте источник или гиперссылку.
показать меню

Главная / Библиотека / Наш блог (статьи) / август 2011

2011

ноябрь октябрь сентябрь

август

июль июнь май апрель март февраль январь
 

2010

декабрь ноябрь октябрь август июль июнь май апрель март январь
 

2009

декабрь ноябрь сентябрь август июль июнь май апрель март февраль январь
 

2008

декабрь ноябрь октябрь сентябрь август июль июнь май апрель март февраль январь
 

2007

ноябрь октябрь сентябрь август июль июнь май
 
RSS пїЅпїЅпїЅпїЅпїЅпїЅпїЅ
Главная / Библиотека / Наш блог (статьи) / август 2011

Наш блог (статьи)

Характер колебания соединений алюминий-сталь, выполненных с помощью усовершенствованного процесса короткой дугой GMA

15 августа 2011

Профессор, доктор, инженер Уве Рэйсген, родился в 1962, начал свою профессиональную деятельность в качестве ученого в 1990 в Институте Сварки и Соединений (ISF) при Университете в городе Акене/Германия. С 1993 по 1995 он был лидером команды технологического отдела “Процессы дуговой сварки и техника компьютерного управления сваркой” в ISF и старшим инженером с 1995 по 2000. С 2000 по 2007 он был главой отдела Технологий соединений и испытаний в исследовательском центре Юлих (FZJ), Германия. Он также работал в качестве эксперта сварочного производства и дефектов при сварке с 2002 в Промышленной и Коммерческой Палате в г. Акен/Германия. С августа 2007 он возглавляет Институт Соединений и Технологий в Университете RWTH, Акен/Германия и является управляющим директором Центра соединений при Университете.

Дипломированный инженер Мариус Срейнерс защитил диссертацию в RWTH Университете в г. Акен/Германия. Он имеет степень в машиностроении, специализация: технология производства. В 2007 он был квалифицирован как международный инженер по сварке. С 2006 он работал в Институте сварки и соединений при университете RWTH в г.Акен/Германия. Область его исследований – соединение разнородных материалов и дуговые процессы соединения.

Доктор, инженер Павел Кучарсцик защитил диссертацию в Технологическом Университете г. Жданск/Польша. Он имеет степень в машиностроении, специализация: конструкция машин. В 2005 он получил степень доктора в TWTH, г. Акен. С 2006 он работал в Институте Черных металлов. Цель его исследований – поведение стали при циклических нагрузках, влияние микроструктуры на усталость и оценка поведения разрушения.

Соединения комбинации материалов, состоящих из стали и алюминия, выполнялись последнее время в результате развития цифрового дугового процесса. В рамках программы “Исследование технологии производства в странах с высоким уровнем жизни”проводилось исследование применимости процесса цифрового регулирования переноса холодного металла (СМТ) (разработан Fronius Schweisstechnik) для выполнения соединений из материалов, таких как сталь-алюминий, в Институте Сварки и Соединений, Акен. В Институте Черных Металлов были проведены испытания поведения таких гибридных структур при циклическом нагружении. На использованных образцах наблюдались поверхностные растяжения, образцы имели шов в центре и были подвержены контролю усилия, синусоидальным нагрузкам (значение R: 0,1). Были анализированы установленные напряженные состояния, ссылаясь на рекомендации Международного Института Сварки IWW.

1 Введение

За последние несколько лет общий вес мотора транспортного средства немного увеличился. Причинами этого являются постоянные требования заказчика относительно комфорта и безопасности транспортного средства. Высокий вес был уравновешен постоянным увеличением точности технологии двигателя и мощности, однако это непосредственно связано с повышенным выбросом загрязняющих веществ. Данная разработка должна препятствовать загрязнению окружающей среды. При таком же уровне комфорта и безопасности вес транспортного средства должен значительно уменьшиться в будущем. Снижение веса на 100 кг приведет к экономии бензина 0,3л/100км [1]. В настоящее время проводятся различные работы для того, чтоб достичь этого. Одним многообещающим способом является, так называемая, конструкция из мультиматериалов, в которую включены различные материалы для того, чтобы собрать их особые преимущества и исключить их недостатки настолько, насколько это возможно. Самое большое преимущество имеет комбинация алюминия и стали, так как она занимает самое выгодное положение между экономией веса и формируемостью, и также может быть осуществлена в пользу стоимости [2].

При изготовлении фронтальной части автомобиля из алюминия появляется наибольшая возможность экономии веса. Сегодня это может повлиять исключительно на механические свойства соединения. Для соединения алюминиевой фронтальной части автомобиля с кузовом, сделанным из высокопрочной стали, а также для обеспечения безопасности при столкновении, конструкция алюминий-сталь представляет соответствующую продольную часть. Стальной борт может быть присоединен к алюминиевой части в месте ее соединения с кузовом для того, чтобы обеспечить соединение с кузовом. В данном случае не должно возникнуть проблем с тем, чтоб встроить продольную часть при существующем производстве. Кроме соответствующей статической прочности необходимо уделить внимание циклическому нагружению соединения при увеличении вибрации при движении.

Одним экономически выгодным процессом соединения для данной задачи является процесс СМТ от Fronius GmbH [3]. Благодаря применению технологии цифрового регулирования дуги процесс позволяет снизить удельную энергию до минимального значения за счет контроля переноса металла и выборочной энергии ввода. Следовательно, процесс очень подходит для соединения стали с алюминием. В данном случае только одна часть соединения может быть расплавлена полностью. В данных целях масштабные исследования проводились в ISF (институт) в рамках данного скопления ”Совместная технология производства для стран с высоким уровнем жизни”, субпроект ICD C-2.1.

До сих пор характеристика усталостной прочности термического соединения комбинации материалов алюминий-сталь была исследована в очень узкой области применения. Причиной этого является трудность изготовления подходящей структуры алюминий-сталь. Хоббакхер дает рекомендации о значениях усталостной прочности сварных соединений и компонентов, которые изготавливаются либо из стали, либо из алюминия [4].

2 Испытания соединений

Для исследований применялась сталь DC05 специальной глубокой вытяжки толщиной листа 0,8 мм и 1,0 мм с цинковым покрытием 140г/см2. EN AW 6016T4, толщина листа которого изменяется от 1,15мм до 1,2мм, применялся в качестве алюминиевого материала. Были разработаны две комбинации паяных соединений: DC05 толщиной 0,8 мм с EN AW 6016T4 в 1,2мм (Комбинация 1) и DC05 толщиной 1,0 мм с EN AW 6016T4 в 1,2мм (Комбинация 2). Для изготовления паяных стыковых соединений в качестве присадочного материала применялся AlSi5, а в качестве защитного газа – чистый аргон.

Целью исследований являлось изготовление соединения, которое демонстрирует не только значительную статическую прочность, но также хорошее значение усталостной прочности. Было необходимо выполнять плоский сварной шов (небольшой эффект надреза) с соответствующей шириной шва (соответствующая зона проплавленная зона на стальной стороне), с острым углом смачивания. Соединение, образованное равномерно с обеих сторон, представлено на Рисунке 1а. На нижнем рисунке представленный шов имеет незначительное усиление. Заметным разрушением была увеличенная протяженность смачивания с острым углом смачивания. Оба листа были помещены в одну плоскость и их кромки были незначительно смещены относительно друг друга (максимальная ось смещения: 0.35 мм).

Так как обжатие не было оптимальным при производстве обоих листов перед их соединением, нестандартный профиль шва был сформирован из нескольких соединений стали-алюминия, Рисунок 1b. В данном случае оба листа не были расположены в одной плоскости, а были расположены диагонально по отношению друг к другу. Однако это стало заметно только после проплавления образцов. По этой причине усиление шва с нижней стороны листа больше, чем с верхней. Проблема возрастала при обоих комбинациях. Следует подчеркнуть, что у 60% исследованных образцов оба листа размещались в одной плоскости, что соответствует точной возможностью для данного типа соединения во время испытания.

3 Исследование механико-технологических свойств

3.1 Испытание на растяжение

Ссылаясь на DIN 50125, были определены механические свойства основных материалов, а также механические свойства обоих комбинаций соединений на 5 образцах, в каждом случае оба листа лежали в одной плоскости. Прочность на растяжение основного материала – 210 МПа для алюминиевых сплавов и 280МПа для специальной стали глубокой протяжки DC05. Значение прочности обеих комбинаций паяных соединений не попадает в диапазон значений прочности основного материала. Произошли разрушения в основном материале (стали с Комбинацией 1) и в ЗТВ (алюминия с Комбинацией 2). В каждом случае напряжения, установленные на Рисунке 2, имеют отношения к поперечному сечению алюминия. Следовательно, чистые результаты вычислений показывают средние значения растягивающих напряжений 190МПа для Комбинации 1 (толщина листа стали: 0,8мм) и 210МПа для Комбинации 2 (толщина листа стали: 1,0мм).

4 Испытания на усталость

Были проведены испытания на усталость соединенных листов в обеих комбинациях. Были исследованы образцы, изготавливаемые для испытаний на разрыв согласно DIN EN 6072 (Образец тип 3), без выпрямления перед испытаниями. Имелось 24 образца Комбинации 1 и 12 образцов Комбинации 2. Испытания проводились при комнатной температуре посредством усилия пульсатора 60кН от Schenck. Нагружения на образец были синусоидальными, форма усилий регулировалась при значении R=0,1 (отношение минимального значения напряжений к максимальному). Частота пульсов - 25-30 Гц. После проведения более чем 5х106 циклов нагружений, образцы рассматривались как испытанные на усталостную прочность без разрушения.

Результаты выполненного испытания на усталостную прочность показывают количество линий влияния на Рисунке 3. В данном случае установленные напряжения имеют отношение к поперечному сечению алюминиевого листа. На диаграмме показаны две линии влияния для возможного разрушения 50%, которые были рассчитаны для обоих правильных наклонов (mw=4.2 и mw=4.8) и установленного наклона (m=3.0). Следовательно, характеристика линий влияния была установлена для возможного разрушения 5% и установленного наклона m=3.0, ссылаясь на рекомендации Международного Института Сварки IIW [4]. Установленные линия влияния показывают увеличенный наклон 4,2 (Комбинация 1) и 4,8 (Комбинация 2) по сравнению со стандартным наклоном 3,0 [4]. Данные установлены из разброса измеренных значений, а также из небольшого количества образцов, особенно в случае Комбинации 2.

Для сравнения характеристик усталостной прочности обоих комбинаций паяных соединений рассчитана характеристика усталостной прочности σ2million при цикле 2 миллиона. В таблице 1 перечислены все рассчитанные значения. Обе комбинации соединений представляют подобные свойства усталостной прочности, в частности для наклона 3,0. Для предполагаемого разрушения 50% усталостная прочность (дана как диапазон напряжений) σ2million=41,4MPa (Комбинация 1) и 44,3МПа (Комбинация 2). Рассчитанная усталостная прочность σ2million при предполагаемом разрушении 5%, которую можно сравнить с классом усталости (FAT class) по рекомендациям Международного Института Сварки IIW, примерно 17МПа для всех комбинаций паяных соединений, см. Таблицу 1. В данном случае следует подчеркнуть, что FAT class – 40МПа для сваренных встык алюминиевых листов [4].

Результаты испытаний на усталостную прочность показывают, что для обеих комбинаций соединений можно выделить две группы образцов. Первая группа состоит из большого количества отклонений (диапазон напряжений от 60 до 80 МПа), которые не могут учитываться при расчете. Вторая группа включает образцы, которые разрушаются на ранней стадии, и линии влияния имеют пониженное значение напряжений. Установлено, что образцы, которые не были оптимально зафиксированы во время производства, показали в частности низкое значение усталостной долговечности. Следовательно, была возможность установить, что результаты испытаний зависели от положения паяного шва на образце. В начале шва формируется много пор вдоль лицевой кромки стального листа, Рисунок 4а, потому что листы не подверглись достаточному предварительному нагреву. Образование пор происходило по причине выгорания цинка в зоне соединения. При испытании на усталость наблюдалось быстрое разрушение в случае, если образец был взят из начала шва, то цинк освобождался, и количество образованных пор быстро снижалось. В данном случае наблюдался более длительный срок наступления усталости. Сейчас образцы разрушались преимущественно в ЗТВ алюминия или, по аналогии с испытаниями на разрыв, в основном материале, как из алюминия, так и из стали, в зависимости от толщины стальных листов, Рисунок 4b.

5 Итоги

Низкая энергия ввода в основной материал, которая характеризует процесс СМТ, позволяет стали вступать в соединение с алюминием с очень низкими толщинами, формируя интерметаллидную фазу и благоприятную геометрию шва. Обе характеристики оказывают положительное влияние на значение усталостного разрушения комбинированных соединений.

Испытания на усталостное разрушение показали, что обе выбранных комбинации соединений имеют подобные характеристики усталостной прочности. Образцы с равномерно сформированными соединениями (оба листа в одной плоскости) не были разрушены в диапазоне напряжений от 60 до 80МПа. Согласно рекомендациям Международного Института Сварки или Общеевропейских технических норм такие образцы нельзя брать во внимание при оценке линий влияния. Следовательно, можно сделать вывод, что установленные значения усталостной прочности больше относятся к неоптимальным соединениям, главным образом, к образцам, которые были деформированы из-за неправильного прижима.

Причиной низкой характеристики усталостной прочности в начале шва являлся недостаточный предварительный нагрев листов для соединения. Что привело к образованию пор из-за выгорания цинка. Данные образцы отвечали за разброс измеренных значений. Из-за этого, после соответствующего ввода теплоты и точного расположения листов, предполагалось значительное улучшение характеристики усталостной прочности. Исследования будут проведены в наступающем году.

Проведенные испытания показали, что до сих пор необходима оптимизация процесса соединения. Большее количество выходящих за пределы диапазона напряжений 60-80МПа означает, что соединения сталь-алюминий с хорошими усталостными свойствами могут производиться при гарантировании качественных измерений при позиционировании листов.

Рисунок 1 – Соединение сталь-алюминий; a) оба листа – в одной плоскости, b) искажение из-за неправильного прижима.


Рисунок 2 – Результаты испытаний на растяжение


Рисунок 3 – Линии влияния; а) DC05 0,8мм и EN AW 6016T4 1.2мм (Комбинация 1), b) DC05 1,0мм и EN AW 6016T4 1.2мм (Комбинация 2).


Рисунок 4 – Поверхность излома образца; a) начало шва, b) центр шва.


Таблица 1 – Результаты испытаний на усталость