SVAŘOVÁNÍ TITANU KOMERČNÍ ČISTOTY POUŽÍVANÉHO V LETECKÉ VÝROBĚ WELDING PROCESS OF COMMERCIALLY PURE TITANIUM IN APLICATION FOR AEROSPACE INDUSTRY

Transkript

1 SVAŘOVÁNÍ TITANU KOMERČNÍ ČISTOTY POUŽÍVANÉHO V LETECKÉ VÝROBĚ WELDING PROCESS OF COMMERCIALLY PURE TITANIUM IN APLICATION FOR AEROSPACE INDUSTRY Jiří Cejp Zdeněk Kinter Jan Prajer ČVUT v Praze,Fakulta strojní,ústav materiálového inženýrství Karlovo nám.13, Praha 2 ABSTRAKT Předkládaná práce hodnotí různé postupy svařování a na podkladě struktury a mechanických vlastností stanovuje nejvhodnější metodu spojování technicky čistého titanu používaného na aplikace v letecké výrobě. Na základě požadavků byly hodnoceny dvě technologie svařování a to tavná metoda TIG/WIG a speciální metoda svařování laserem. Experimentální program byl zaměřen na komerčně čistý titan GRADE 1 (Ti99,5) a GRADE 4 (Ti 99,0).Tento materiál, který má vynikající tažnost, tvařitelnost a výbornou svařitelnost, byl k dispozici jako za tepla válcovaný plech o tloušťce 1mm.Svařování TIG/WIG bylo provedeno na Fronius Magic Wave MW-200 a svařování laserem jednak na diodovém laseru typu DL 031 Q a jednak na pevnolátkovém laseru Nd:YAG JK701 GSI Lumonics. Pro posouzení kvality svarů byly použity jak nedestruktivní zkoušky svarů (vizuální zkouška a radiologická zkouška prozářením), tak mechanické zkoušky (příčná zkouška tahem, zkouška mikrotvrdosti) a analýza struktury svaru. ABSTRACT This contribution deals with a various procedures of welding and using a study of structure and mechanical properties selects of the best methods of joining titanium materials and alloys used in aircraft industry. In accordance with requirements, two technologies were evaluated first fusing method TIG/WIG, and a special laser welding method. Experimental programme were carried out with commercial GRADE 1 titanium, often marked as Ti99.5 and GRADE 4 (Ti 99,0). This material, demonstrating exceptional ductility, pliability and excellent weldability, was available as hot rolled sheet metal in thickness of 1 mm. Gas tungsten arc welding was done by Fronius Magic Wave MW-200 and Nd-YAG laser JK 701,GSI Lumonics and laser typu DL 031 Q were used for laser welding. Quality of welds was investigated using non-destructive tests (visual examination and radiology test) and destructive test (ray tracheid tension test, microhardness test) and analyse structure weld. 1

2 1. ÚVOD Titan a jeho slitiny díky vynikající korozní odolnosti a příznivému poměru pevnosti a měrné hmotnosti jsou úspěšně aplikovány v leteckém a kosmickém průmyslu, chemickém a potravinářském průmyslu, v energetice i ve zdravotnictví [1,2]. Čistý titan prochází při teplotě 883 o C alotropickou transformací od nízkoteplotní hexagonální těsně uspořádané mřížky Ti α k vysokoteplotní kubické plošně středěné Ti β a tato transformační teplota je silně závislá na legujících prvcích. Podle struktury se pak klasifikují titanové slitiny na titan komerční čistoty, slitiny α, slitiny α +β a slitiny β. Vlastní svařovací proces používaný při svařování titanu a jeho slitin se neliší od postupů pro jiné materiály a zahrnuje metody WIG/TIG, MAG, svařování plasmou, laserovým i elektronovým paprskem [ 3 ]. 2. EXPERIMENTÁLNÍ MATERIÁL A METODY Materiál pro experimenty, titan komerční čistoty GRADE 1 a GRADE 4, byl dodán firmou AERO Vodochody,a.s., která tento materiál používá při letecké výrobě. Materiál byl ve formě plechu o tloušťce 1,0 mm. Z plechu byly připraveny vzorky pro vlastní svaření a to jak ve směru válcování tak kolmo na směr válcování i v kombinaci obou směrů. Laserové svařování titanového plechu GRADE 1 bylo provedeno na diodovém laseru typu DL 031 Q, vlnová délka emitovaného záření v rozmezí nm, výstupní výkon 3100W, frekvence 250 Hz, ohnisková vzdálenost 66 nm. Ke svařování plechů materiálu GRADE 4 byl použit pevnolátkový laser Nd:YAG JK701 GSI Lumonics, vlnová délka nm, výstupní výkon 550 W, frekvence 500Hz, ohnisková vzdálenost mm. Jako ochranný plyn byl při svařování použit argon. Pro zamezení přístupu okolní oxidické atmosféry do svarové lázně byl použit u všech postupů svařování na laseru svařovací přípravek, který zabezpečoval přívod ochranného plynu na povrch i kořen svaru. Svařování vzorků metodou TIG bylo provedeno ve firmě AERO Vodochody na zařízení MAGIC WAVE MW 2200, svařovací proud A, pracovní napětí na elektrodě V, ochranný plyn argon. Pro posouzení kvality svarů byly použity nedestruktivní zkoušky, vizuální zkouška dle ČSN EN 970 a radiologická zkouška prozářením dle ČSN EN V případě vizuální metody byly dle ČSN EN ISO hodnoceny vady typu trhlin, studených spojů, neprovařeného kořene, převýšení a přesazení svaru co do velikosti a polohy vady. Protokol o zkoušce prozářením respektoval předpis ČSN EN 1435, hodnocení a označení vad bylo provedeno dle ČSN ISO Mechanické vlastnosti svarových spojů byly hodnoceny jednak zkouškou tahem na stroji INSTRON 5582 a jednak zkouškou mikrotvrdosti metodou dle Vickerse za podmínek normy ČSN EN ISO na přístroji LECO M-400 G1. K posouzení struktury svaru i ovlivněné oblasti byly připraveny metalografické výbrusy a po naleptání leptadlem na bázi kyseliny HF byly pozorovány na světelném mikroskopu ZEISS NEOPHOT 32. 2

3 3. VÝSLEDKY A JEJICH DISKUSE Velká pozornost byla věnována stanovení optimálních parametrů svařování pro obě používané metody. Metodou TIG/WIG bylo dosaženo nejvyšší kvality svarů při svařovacím proudu 27 A, svařovacím napětí 15 V a průtoku argonu 9 l/min.z těchto podmínek byla velikost svaru v hlavě 6 mm a v patě 4mm a tepelně ovlivněná oblast svaru o velikosti v hlavě svaru 25 mm a v patě svaru 23 mm. Dle kresby barev svaru bylo možné určit jakými teplotními fázemi svarový kov i svařovaný materiál prošel (Obr.1, 2). Obr.1 Kořen svaru, metoda TIG/WIG (GRADE 4) Fig.1 Weld root, fusing method TIG/WIG (GRADE 4) Obr.2 Hlava svaru, metoda TIG/WIG (GRADE 4) Fig.2 Weld head, fusing method TIG/WIG (GRADE 4) 3

4 Diodový laser DL 031 Q vytvořil kvalitní spojení při rychlosti svařování 1500mm/min a tlaku argonu 0,2 MPa. Při použití laseru Nd: YAG JK701H GSI Lumonics byl proveden rozsáhlý test optimalizace parametrů svařování, kdy se měnila frekvence, délka a výška pulsu, fokusace, výkon i energie pulzu, tlak ochranné argonové atmosféry a rychlost posuvu. Byl ověřen i vliv úpravy styčných ploch spoje před svařováním, čistoty povrchu plechů. NDT kontrola i výsledky zkoušky tahem potvrdily nejlepší výsledek pro tyto parametry: Frekvence 40 Hz, délka pulsu 4 ms, výška pulsu 61 %, průměrný výkon 535 W, energie pulzu 13,4 J, tlak plynu 2 bar, rychlost posuvu paprsku 400 mm/min, focus 650. Vlastní experimentální program hodnotil svarové spoje, kdy obě svařované části byly orientovány souhlasně buď ve směru válcování nebo kolmo ke směru válcování a také spoje kombinované s odlišnou orientací svařovaných částí. Detailní zhodnocení kvality svarů pomocí NDT metod bylo provedeno pro materiál GRADE 1, kdy byly zjištěny následující skutečnosti [4]: Svary provedené laserem: - 60% svarů bylo kvalitních bez detekovaných vad - nevyhovující svary vykazovaly nejčastěji vady typu okrouhlé plynové trhliny a vady související s neprovařeným kořenem s vrubovým účinkem - kvalitní svary byly na spojích, vytvořených ve směru válcování, naopak svary orientované kolmo na směr válcování většinou nevyhověly Svary provedené TIG: - pouze jedna třetina spojů byla kvalitní, ostatní s vadami typu protažených dutin a neprovařených kořenů - podobně jako u svařování laserem zcela nevyhovující se ukázaly spoje orientované kolmo na směr válcování Jak je vidět z uvedeného přehledu tak spoje provedené metodou laserového svařování vykazují při prozářením rentgenovým paprskem menší počet vad než u metody TIG. Zajímavostí také je že ve svaru, který byl svařen laserem a ochranný plyn argon byl přiveden jen na povrch svaru (kořen svaru zůstal bez ochranné atmosféry) se nevyskytují téměř žádné vnitřní vady a tento svar je dle ČSN EN vyhovující. Zkouška tahem základního materiálu vykázala mechanické charakteristiky uvedené v Tab.1. Tabulka 1 Výsledky zkoušky tahem dle ČSN EN Table l Values of tensile test by ČSN EN Materiál Mez kluzu R p 0,2 ( MPa ) Mez pevnosti R m ( MPa ) Tažnost A 50 ( % ) GRADE GRADE Mechanické vlastnosti provedených spojů byly ověřeny příčnou zkouškou tahem dle ČSN EN 895 a výsledky vybraných vzorků materiálu GRADE 1 jsou uvedeny v Tab.2. Jak je patrné z tabulky, tak téměř všechny vzorky se při příčné zkoušce tahem porušily v tepelně ovlivněné oblasti. U vzorku č. 4A došlo k porušení přímo ve svaru což zapříčinil prohloubený kořen svaru patrný již při vizuální kontrole. 4

5 Tabulka 2 Výsledky příčné zkoušky tahem dle ČSN EN 895 (GRADE 1) Table 2 Values of tensile test by ČSN EN 895 (GRADE 1) č. vzorku R m [MPa] A 50 [%] místo lomu poznámka 1A ,6 v LASER 2C ,4 v LASER 3A ,0 v LASER 4A 399 3,6 ve svaru LASER 4B ,0 v LASER 4E ,0 v LASER 5C ,0 v LASER 7A ,6 v LASER 8A ,8 v LASER bez Ar 9B ,4 v LASER 10B ,2 v TIG 11B 456 9,4 v TIG bez Ar 12A ,2 v TIG 14A ,4 v TIG Změny struktury materiálu v oblasti svaru i TOZ byly u obou materiálů kontrolovány světelnou mikroskopií a jejich vliv na mechanické vlastnosti hodnocen mikrotvrdostí měřenou od základního materiálu přes TOZ a vlastní svar. Mikrostruktura sledovaných materiálů GRADE1 a GRADE 4 odpovídala čistému titanu, byla tvořena zrny fáze α o velikosti 55 µm (resp. 42 µm) místy s deformačními dvojčaty a drobnými částicemi uvnitř i na hranicích zrn. Profily mikrotvrdosti přes svarové spojení jasně detekovaly vlastní svar, jeho pevnostní hodnoty i velikost (Obr. 3-5). Jednoznačně vyšší tvrdost vykazovaly svary připravené laserem, zatímco u vzorků svařených metodou TIG tvrdost svaru je téměř shodná se základním materiálem (Obr. 5). Pevnostní hodnoty i rozměry svaru také významně ovlivňuje přítomnost argonu při svařování. Na obr. 4 je patrné až 80% zvýšení tvrdosti svarového kovu proti základnímu pro případ svařování bez použití ochranné atmosféry. 5

6 Mikrotvrdost - 2D tvrdost HV OS OZM vzdálenost [mm] Obr.3 Profil mikrotvrdosti, metoda laser, argon (GRADE 1) Fig. 3 Hardness profile, method laser,argon (GRADE 1) Mikrotvrdost- 8B tvrdost HV OS vzdálenost [mm] Obr.4 Profil mikrotvrdosti, metoda laser, bez argonu (GRADE 1) Fig. 4 Hardness profile, method laser, without argon (GRADE 1) 6

7 Mikrotvrdost tvrdost HV OS vzdálenost [mm] Obr.5 Profil mikrotvrdosti, metoda TIG/WIG, argon (GRADE 1) Fig. 5 Hardness profile, method TIG/WIG,argon (GRADE 1) U materiálu Grade 4 byla situace obdobná, vyšší tvrdost ve svaru laserovém až o 70%, u TIG/WIG pouze 20% s pozvolným růstem tvrdosti v. Po svařování laserem je výrazně menší jak svarový kov tak menší. ZÁVĚRY Po zhodnocení výsledků rozsáhlého experimentálního programu, na základě provedených zkoušek je možné učinit následující závěry: 1) Byly stanoveny optimální podmínky a parametry pro svařování titanu GRADE 1 a GRADE 4 jak pro svařování laserem tak pro metodu TIG/WIG na použitých zařízeních. 2) Z hlediska kvality provedených svarů je výhodnější svařování laserem. Při laserovém svařování je ale nutné použít ochranné atmosféry argonem, jinak se na povrchu svaru tvoří drobné trhlinky, které by se mohly vlivem cyklického zatížení začít šířit a způsobit destrukci svarového spoje. 3) Kvalita svarů je závislá na dokonalé přípravě svarových ploch. Každá nedbalost se prokáže již NDT zkouškou. 4) Kvalitu svarového spoje lze zkontrolovat odborně provedenou NDT zkouškou aniž je třeba dalších destruktivních zkoušek. 7

8 LITERATURA 1. SCHUBERT, E., KLASSEN, M., ZERNER, I.: Light-Weight Structures Produced by Laser Beam Joining for Future Applications in Automobile and Aerospace Industry. Journal of Materials Processing Technology. Volume 115, Issue 1, 2001, p.2 2. LUO GUOZHEN, ZHOU LIAN, DENG JU.: Rare Mater.Eng. 5 ( 1997)p M.B.D.ELLIS, M.F.GITOS: Weld. Met.Fabr. 63 ( 1995 ), p.9 4. KINTER,Z.-PRAJER,J.-CEJP,J.: Welding of Commercially Pure Titanium. In: Proceedings of WORKSHOP 2007, CTU Prague Předložené výsledky byly získány řešením projektu MSM