Loading

Właściwości mechaniczne złącz ze stopów aluminium stosowanych w budowie wagonów

inż. Franciszek Kowar
specjalista ds. spawalnictwa w PRMPCh "Montochem" w Gliwicach

 

"Trakcja i Wagony" Nr. 11-12/1980

UKD:629.44.023:669.717] :6:0.17

W ostatnich latach do budowy pojazdów coraz częściej są stosowane stopy aluminium [5, 6]. Głównymi zaletami wagonów budowanych z tych stopów są lekkość i odporność na korozję.W Polsce największe zastosowanie mają stopy AlZnMgl (cecha hutnicza PA47) i AlMg4,5Mn (cecha hutnicza PA13). Do podstawowych zalet stopu PA47 należy -oprócz korzystnych właściwości wytrzymałościowych -Rm w granicach 360-400 MPa i R0,2 = 280-360 MPa -dobra spawalność oraz właściwości samostarzenia, co pozwala uzyskać po około 1 miesiącu wytrzymałość spoiny równą wytrzymałości materiału spawanego.
Ze stopu AlZnMgl są produkowane blachy oraz kształtowniki, stosowane na spawane konstrukcje podwozi i pudeł wagonów. Również bardzo dobrze spawalnym i o większej odporności na korozję jest stop PA13, z którego wykonuje się głównie blachy, a rzadziej kształtowniki (z uwagi na trudności przy ich wyciskaniu) do taboru kolejowego. Wytrzymałość spoiny ze stopu PA13 nie dorównuje jednak wytrzymałości spoin ze stopu AlZnMgl (Rm -280 MPa, Ra2 = 125 MPa).
W tablicy 1 zestawiono przykładowo tylko te wagony, w których konstrukcji udział stopu AlMg4,5Mn jest przeważający. W pozostałych przypadkach dominują stopy AlZnMgl i AlMg3 (PA11N). Większość konstruktorów stosuje wszystkie te trzy stopy jednocześnie; rzadziej notuje się konstrukcje wykonane w całości z AlMg4,5Mn. Przykładem są tu tylko wagony japońskie, które są eksploatowane bez malowania, w związku z czym z uwagi na jednolity wygląd wykonano je z jednego tworzywa. Inny przykład to wagony węgierskie wykonane w całości z blach i kształtowników giętych (z blachy) ze stopu AlMg4,5Mn (jako spawano-nitowane) lub nitowane wagony marokańskie.
Użycie różnorodiaych stopów aluminiowych w konstrukcjach spawanych znacznie obniżyło koszty materiałowe. Ogólnie można stwierdzić, że koszt tego rodzaju stopów wzrasta ze wzrostem składników stopowych.

Tablica 1
Stopy aluminium w konstrukcji różnych rodzajów pojazdów szynowych 

Rodzaj pojazdu Typ konstrukcji Rodzaj stopu w poszczególnych elementach konstrukcyjnych wagonów
podwozie szkielet pudła ściany boczne ściany czołowe dach
Wagon komunikacji miejskiej Budapeszt spawana i nitowana AlMg4,5Mn AlMg4,5Mn AlMg4,5Mn AlMg4,5Mn AlMg4,5Mn
Kolej (podmiejska i regionalna Węgierska Kolej Państwowa (MAV) spawana i nitowana AlMg4,5Mn AlMg4,5Mn AlMg4,5Mn AlMg4,5Mn AlMg4,5Mn
Walia (NSW) nitowana AlMgSiO,3 AlMgSiO,8Cu AlMg4,5Mn AlMg4,5Mn AlMg4,5Mn
Kolej dalekiego zasięgu
RFN cysterna spawana samonośna AlZnMgl (przybudówki) AlMg4,5Mn
AlZnMgl
(blacha zbiornika)  
Maroko nitowana AlMg4,5Mn AlMg4,5Mn AlMg4,5Mn
AlMg4,5
(wyłożenie pudła)  
Kanada spawana AlZnMg AlZnMg AlMg4,5Mn (wyłożenie pudla)  
Australia spawana AlMg4,5Mn AlMg4,5Mn AlMg4,5Mn
AlMgSiO,8Cu
(wyłożenie pudła)  
NRD spawana   AlMg4,5Mn AlM,g4,5Mn/
/AlMg4,5Mn
 

W kompleksowej konstrukcji wagonu ze stopów aluminiowych przyjmuje się częściej jako główne kryterium sztywność niż wytrzymałość. .W takich przypadkach materiały o wysokiej wytrzymałości są zbędne (nie dają korzyści) i mogą być zastąpione tańszymi stopami.
Projektując złącze spawane różnoimienne należy brać pod uwagę trzy najważniejsze czynniki: skurcz spawalniczy, właściwości mechaniczne i sztywność konstrukcji. Zazwyczaj jako stopiwo jest używany materiał będący stopem dwóch materiałów podstawowych. Skład chemiczny stopiwa ma zasadniczy wpływ na powstawanie pęknięć na gorąco.
Na rysunku 1 przedstawiono wpływ składników Si i Cu dla typowych stopów granicznych na podstawie odlewniczej próby pierścieniowej. Dla konkretnego złącza, gdy dwa stopy materiałów łączonych są określone, dobór odpowiedniego spoiwa (drutu) jest podstawowym czynnikiem umożliwiającym uniknięcie pęknięcia na gorąco spoin.
Przy doborze drutu spawalniczego są stosowane dwie metody postępowania. Pierwsza obejmuje przewidywanie składu chemicznego spoiny i porównanie go z danymi dotyczącymi składu chemicznego jako funkcji pękania na gorąco. W tym celu można skorzystać z danych zawartych w tablicy 2. Druga metoda polega na wykonaniu znormalizowanej próby ilościowej na pękanie na gorąco. Obie metody dają jednakowo dobre rezultaty. Złącze mieszane zawiera różne materiały konstrukcyjne: dwa materiały łączone, dwa materiały SWC, spoiwo. W połączeniu idealnym rozerwanie próbki powinno nastąpić w strefie wpływu ciepła (SWC) materiału o niższej wytrzymałości. Parametry technologiczne, które również pozwalają kształtować skład chemiczny spoiwa, a tym samym wpływają na skłonność do pęknięć, to: stosowany rodzaj ukosowania, pozycja spawania, prąd spawania, szybkość spawania, średnica drutu i rodzaj gazu ochronnego. Wpływ składu chemicznego spoiny na pękanie na gorąco przedstawiono na rysunku 2.
Istotny wpływ na skłonność do pęknięć na gorąco złącz mieszanych ma sposób usztywnienia. Różnice występują w zależności od spawania jedno- czy wielościegowego. W spoinach jednościegowych - w cienkich blachach - w . celu uniknięcia przegrzania i pęknięcia, należy stosować podkładki odprowadzające ciepło. Potrzebny wysoki stopień usztywnienia blach grubych wynika ze zmian fizykochemicznych zachodzących podczas spawania wielościegowego (straty w łuku elektrycznym cynku i magnezu). Stosując powyższe zalecenia, nie można pominąć tak podstawowej sprawy, jak wytrzyma-małość podstawy ściegu (grani) na naprężenia skurczowe (rozciągające), pojawiające się podczas ochładzania się powstałego ściegu. Pozwala to uniknąć pęknięć na gorąco (z wyjątkiem mi-kropęknięć kraterów) [7].

Tablica 2
Typowe proporcje udziału stopów i drutu przy prędkości spawania 381 mm/min (2) 

Prąd
spawania
[A]
Gaz ochronny Średnica
drutu
spawanego
[mm]
Prędkość
spawania
[mm/h]
Przekrój
ściegu
spawu
[mm2]
Proporcje metali
przekrój
ściegu drutu
[mm2]
drut
[%]
stop I
[%]
stop II
[%]
 
250 argon 1,6 9626,6 90,3 50,0 55,0 22,5 22,5 Złącze
doczołowe I
300 argon 1,6 12547,6 141,9 65,2 46,0 27,0 27,0
250 75% He, 25% Ar 1,6 8559,8 99,3 44,4 45,0 27,5 27,5
300 75% He, 25% Ar 1,6 1155,7 185,8 60,0 32,0 34,0 34,0
250 argon 1,6 1016,0 64,5 52,8 82,0 9,0 9,0 Złącze
doczołoweV
300 argon 1,6 12496,8 116,1 64,9 56,0 22,0 22,0
250 75% He, 25°/o Ar 1,6 8991,6 89,3 46,7 47,0 26,5 26,5
300 75% He, 25% Ar 1,6 12700,0 152,2 65,9 43,0 28,5 28,5

 

 

Rys.1 Wyniki pierścieniowej próby pękania w zależności od składu chemicznego typowych stopów aluminiowych

Przebieg badań

Autor artykułu wykonał wiele płyt próbnych o grubości 6 -10 złącz mieszanych PA13 + PA11N, PA11N + PA47, PA13 + PA11N i dla celów porównawczych PA47 + PA47. Złącza wykonano metodą MIG i TIG (na podkładce miedzianej). W metodzie MIG użyto drutu AG5 (produkcji włoskiej), którego skład chemiczny jest następujący: Mg -5,35%, Mn -0,14%, Si -0,08%, Cr-.0,15%, Ti -0,07%, Al reszta. W metodzie TIG -drutu SPA3 (dane dotyczące składu chemicznego tego drutu można znaleźć w polskich normach). Płyty poddano badaniom radiograficznym, wycinając miejsca wadliwe. Z poprawnie wykonanego materiału przygotowano próbki do badań mechanicznych:
- doraźnej wytrzymałości na rozciąganie Rm,
-umownej granicy plastyczności Ro2

Analiza wyników

Badania pozwoliły określić właściwości mechaniczne połączeń spawanych, wykonanych z róż-noimiennych stopów aluminium. Połączenia wykonane metodą MIG dla stopów PA13+PA47 wykazywały wadliwość złączy (klasa 3 i 4). Złącza stopów PA11N + PA47 oceniono w klasie 1 i 2. Przy spawaniu metodą TIG złącza ze stopów PA13 + PA11N, PA13 + PA47, PA11+ + PA47 oceniono w klasie 1, 2, 3. Złącza wykonane ze stopu PA47 metodami MIG i TIG oceniono w klasie 2 i 3.
Wszystkie złącza były wykonane przez wysoko kwalifikowanego spawacza z najwyższymi uprawnieniami,. Tym samym zostały wyeliminowane wady wynikające ze złego przygotowania zawodowego pracownika. Najczęściej spotykanymi wadami były pęcherze w spoinie: pęcherze kuliste (Aa), pęcherze kanalikowe (Ab), łańcuch pęcherzy (Ae) oraz gniazda pęcherzy (Ad). W celu graficznego przedstawienia wadliwości złączy wykonano wykres słupkowy (rys. 3).

 

Rys. 2. Stopy aluminiowe dwuskładnikowe -pekinięcia na gorąco w zależności od składników stopowych Cu, Zn, Mg, Si

Z wykresów wynika, że złącza ze stopów PA11N -f- PA475b, spawane metodami MIG i TIG, dają najlepsze wyniki co do wielkości i wartości występowania wad. Porowatość występująca w złączach wykonanych ze stopów aluminiowych jest nie do uniknięcia i wynika z rodzaju stosowanych technologii spawania; dotyczy to szczególnie metody MIG. Potwierdzają to wyniki prac wykonanych za granicą [1]. W tablicy 3 zestawiono uzyskane wyniki R02 i Rm mieszanych złączy spawanych stopów PA11N, PA13, PA47 i porównano z uzyskanymi ze złącza PA47 oraz innymi wynikami [1, 2,3,4,5,6,7].Dysponując zbiorem wartości wytrzymałości na rozciąganie różnych złączy, można porównać serie poszczególnych wyników, wykorzystując do tego celu rachunek statystyczny.

 

Tablica 3
Wytrzymałość złączy ze stopów aluminiowych (grubości 6 mm) spawanych metodami MIG i TIG

 

Rodzaj złącza Metoda
spawania
Ro2
[MPa]
Rm[MPa] Uwagi
(czas badań)
PA11N+PA13 MIG 137 222  
  TIG 120 203  
PA11N+PA47 MIG 137 213 po 1 miesiącu
  TIG 131 218 po 1 miesiącu
  MIG 166 264 po 3 miesiącach
  TIG 132 241 po 3 miesiącach
PA13+PA47 MIG 167 253 po 1 miesiącu
  TIG 143 232 po 1 miesiącu
  MIG 165 309 po 3 miesiącach
  TIG 166 314 po 3 miesiącach
PA47+PA47 MIG 237 324 po 3 miesiącach
  TIG 231 291 po 3 miesiącach
  MIG 248 314 po 3 miesiącach
  TIG 254 358 po 3 miesiącach
7020+7020 MIG 280 350 po 3 miesiącach

Za pomocą tego rachunku określono istotność różnic poszczególnych serii badań. W tym celu posłużono się testem na zgodność hipotez statystycznych, który jest określony jako test t-studenta [3]. Rozbieżność pomiędzy średnimi pochodzącymi z dwóch zbiorów o liczbach pomiarów ni i n2 można ocenić na podstawie parametru to obliczonego ze wzoru:

gdzie:
S -łączne oszacowanie odchylenia standardowego z obu danych zbiorów,
ni, ri2 - liczba pomiarów, iz których xi i Xt są odpowiednio średnimi, przy czym

Liczba stopni swobody, odpowiadająca obydwu rozpatrywanym próbom, wynosi:

Dla określonej wzorem (3) liczby stopni swobody odczytuje się z tablic rozkładu t-studenta, graniczną wartość ta dla z góry określonego poziomu istotności. Jeśli okaże się, że przy założonym t" będzie ona większa od ta, to hipotezę o równości średnich odrzuca się z błędem określonym ryrzpz a. Na przykład, jeżeli przy założonymotrzymamyto hipotezę o równości średnich odrzuca się z pięcioprcw centowym ryzykiem błędu.

Rys. 3. Wady złączy spawanych z różnoimiiennych stopów Al

a -PA13 + PA11N,
b -PA13 + PA47,
c-PA11N + PA47

Testowano serię wyników umownej granicy plastyczności Ro2 dla złączy wykonanych metodami MIG i TIG (wyniki badań po trzech miesiącach od chwili spawania), w celu wykazania istotności różnic między tymi metodami, zakładając 5% ryzyka błędu.
I. Złącze PA13+PA11N -umowna granica plastyczności w metodzie MIG i TIG po 1 miesiącu:

Różnica technologii przy uzyskanych właściwościach plastycznych tych złączy jest istotna z korzyścią dla metody MIG.

II. Złącze PA13 + PA47 - umowna granica plastyczności w metodzie MIG i TIG po 3 miesiącach:

Różnica technologii przy uzyskanych własnościach Ro2 tych złączy jest nieistotna.

III. Złączę PA11 + PA47 - umowna granica plastyczności w metodzie MIG i TIG po 3 miesiącach:

Wpływ technologii spawania na uzyskaną u-mowną granicę plastyczności Ro2 jest istotny; korzystniejsza jest technologia spawania metodą MIG.

IV. Złącze PA47 + PA47 - umowna granica plastyczności w metodzie MIG i TIG po 3 miesiącach:

Wpływ technologii spawania na uzyskaną u-mowną granicę plastyczności jest nieistotny. W dalszej części analizy zbadano istotność różnicy serii wyników umownej granicy plastyczności Ro2 po 3 miesiącach dla poszczególnych złącz par stopów uzyskanych metodą MIG.

V. Złącza PA13+PA47 i PA11+PA47 - warunki podane powyżej.

Różnica w umownej granicy plastyczności obu złączy jest nieistotna.

VI. Złącza PA13 + PA47 i PA47+PA47 - warunki jak w punkcie V.

Różnica w umownej granicy plastyczności obu złączy jest istotna. Lepsze jest złącze jednorodne PA47+PA47.

VII. Złącze PA11N+PA47 i PA47+PA47 - warunki jak w punkcie V.

Różnica w umownej granicy plastyczności obu złączy jest istotna. Lepsze jest złącze jednorodne.

 

 

 

 

 

Rys. 4. Mikrostruktury izłącza PA11N + PA13 spawanego metodą MIG. Powiększenie 100 x. Trawienie 1% HF 

a - spoina - struktura dendrytyczna,
b - strefa wtopienia od PA13 na tle roztworu stałego a wydzielenia faz Bi Al6 Mn,
c - SWC od strony stopu PA13 na tle roztworu stałego a. wydzielenia faz Bi Ale Mn,
d - strefa wtopienia od PA11N - na tle roztworu stałego a wydzielenia faz B (Al3Mg2),
e - SWC od PA11N - na tle roztworu stałego a wydzielenia faz B (Al3Mg2)
Wyniki technologicznej próby gięcia wskazują, że wszystkie złącza mają dobre właściwości plastyczne, jedynie złącza PAJ47+PA47, spawane metodą MIG, mają nieco gorsze. Na wykresach twardości zmienianych w okresie jednego i trzech miesięcy oraz w strefie wpływu ciepła, zaobserwowano wzrost twardości. Spowodowany on jest wydzieleniem faz 8 i T oraz innymi związkami międzymetalicznymi, a ponadto zróżnicowaną wielkością zmian samego roztworu. Przypuszczenia te potwierdzają badania mikroskopowe w rejonie strefy wpływu ciepła oraz literatura fachowa.

 

 

Rys. 5. Rozkład twardości złącza PA17 + PA11N grubości 6 mmi

a - spawane metodą MIG,
b - spawane metodą TIG
Najwięcej tych, wydzielin jest w tych złączach, gdzie występuje stop PA47 i te fazy wykazują największą twardość.
Analizując mikrostruktury badanych złącz spawanych, oprócz roztworu, Obserwujemy tam takie wydzielenia, jak:
- B <Al3Mg2) we wszystkich trzech stopach,
- T <AliMg3Zn2) w strefach Stopu PA47,
Al6Mn w strefie stopu PA13 (rys. 4).

Oprócz wymienionych w Stopie PA47, należy się spodziewać fazy tl MgZn2 i MgZn,.

 

Rys. 6. Rozkład twardości złącza PA11 + PA13 grubości 6 min 

a - spawane metodą MIG,
b - spawane metodą TIG

Powiększenie 300-krotne okazało się za małe, by móc pokazać te fazy. W strefie wtopienia nie stwierdzono wad wielkości mikroskopowej (w postaci braku przetopu) w wykonanych złączach. Nie stwierdzono istotnych zmian strukturalnych w złączach tego samego typu, wykonywanych technologiami spawania MIG i TIG.
Analizując rysunki 5-7, przedstawiające rozkład twardości, możemy określić w przybliżeniu, że dla złącza doczołowego i kompozycji stopów w złączu, szerokość SWC waha się od 22 do 42 mm. Bliższe dane podaje tablica 4.
Najlepsze właściwości mechaniczne spośród badanych mieszanych złączy doczołowych ze stopów aluminiowych o grubości 6 mm uzyskaho w połączeniu PA13r+PA47tb. Przy spawaniu metodami MIG i TIG wytrzymałość na rozciąganie tego złącza wynosi od 300 do 310 MPa, co stanowi 97% wytrzymałości stopu PA13r.

 

Tablica 4
Szerokość strefy wpływu ciepła w złączach doczołowych stopów aluminiowych (6mm)

Materiał złącza Szerokość SWC
MIG [mm]
Szerokość SWC TIG
[mim]
Uwagi
Stop I Stop II Stop I Stop II Stop I Stop II
PA11Nz4a PA13r 32 33 42 40 4 m-ce
po spawaniu
PA11Nz4s PA47tb 32 30 34 32
PA13r PA47tb 22 35 25 37
PA47tb PA47tb 38 38 40 42

Szerokość strefy wpływu ciepła mierzona z jednej strony od osi spoiny

 

Rys. 7. Rozkład twantości złącza PA13 + PA47 grubości 6 min

a - spawane metodą MIG,
b - spawane metodą TIG

Właściwości mechaniczne dla pozostałych złączy wynogzą odpowiednio:
PAllNz48 + PA47Hb - 240 -r- 260 MPa, PA11NE4S + PAlSr - 200 220 MPa,przy czym wyższe wartości Rm złączy otrzymano metodą MIG.
Właściwości plastyczne oceniane próbą gięcia (R=2g) dla wszystkich złączy są dobre. Kąty gięcia wynoszą średnio około 150°. Jedynie złącza jednorodne PA47tb-f PA47tb, badane po; upływie 4 miesięcy od czasu spawania, mają gorsze właściwości plastyczne (kąty gięcia 20-50°), lecz po upływie dalszych 2 miesięcy właściwości te są lepsze (kąty gięcia 150°).
Szerokość strefy wpływu ciepła (SWC) jest zależna od technologii spawania i jest węższai w przypadku złącz wykonanych metodą MIG. i TIG.Dla metody MIG SWC wynosi w przybliżeniu 22-38 mm, zaś w przypadku metody TIG - 25-42 mm.W złączach jednorodnych PA47tb+PA47tb stwierdzono szerszą strefę wtopienia niż w złączach mieszanych.

Bibliografia:

[1] Brillant M.: Les d'efumits des Sondelres TIG MIG smm alliagues d'aluminium. Revue de 1'aluminium 1976 nr 11
[2] Dewelay R,: Tendeces metallurgigus de l'evalution allages de l'aluminiwm de la serie 700. Revue de 1'alurainiurri 1976 nr 11
[3] Dyląg Z.: Niektóre metody statystyczne opracowań wyników badań. Warszawa Arkady 1962
[4] Galanty A.: Własności i zastosowania stopów Al w budowie wagonów kolejowych. Referat wygłoszony w F. W. Świdnica 18.01.1979
[5] Klock H.: Schwissen von aushdrtbaren Aluminium - Legierunen im Fahrzengban unter besonderer Beriicksichtigung von Konstruktion und Fertigung Schweisstechnik 1974 nr 11
[6] Ktoschewsky H. J.: Herstellung von V-Bahn Dop-peltreibwagen in Aluminium. Sohwedsskonsitruktion
[7] Uiptak J. A.: Welding dissimilar aluminium alloys. Waktinig Jurnal 1968 nr. 4