PS 11 2016 WWW.pdf 21PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA Vol. 88 11/2016 Wpływ parametrów zgrzewania wybuchowego   na własności bimetalu S355J2N – AW1050A Influence of explosive welding parameters on bimetal S355J2N – AW1050A properties Mgr inż. Michał Najwer, mgr inż. Grzegorz Kwiatkowski – Politechnika Opolska, mgr inż. Urszula Sobczak  – Wojskowa Akademia Techniczna. Autor korespondencyjny/Corresponding author: michal1656@gazeta.pl Streszczenie W artykule przedstawiono wyniki badań bimetalu S355J2N – AW1050A wykonanego technologią zgrzewania wybuchowego. Ocenie poddano wpływ wysokości warstwy materiału wybuchowego (H) na własności bimetalu. W celu weryfikacji tego parametru przeprowadzono analizę zmian mikrotwardości w strefie połączenia, określono charaktery- stykę geometrii złącza oraz wykonano technologiczne próby odrywania i gięcia. Na podstawie przeprowadzonych badań stwierdzono, że zmiana wysokości warstwy materiału wybu- chowego nie wpływa na twardość w strefie połączenia, jed- nak ma ona znaczny wpływ na geometrię złącza oraz wytrzy- małość bimetalu. Słowa  kluczowe: zgrzewanie wybuchowe; S355J2N, AW1050A, geometria złącza, mikrotwardość Abstract The article shows the results of research on clad mate- rial S355J2N - AW1050A. Were evaluated the impact of the heigth of explosive material layer on the properties of bi- metal. In order to verify this parameter, were performed such tests as: analysis of changes in microhardness, analysis of the geometry of joint, ram strength tests and bend tests. Based on performed reasearchs, was found that the change of highness of the explosives does not effect on the hard- ness of the bimetal. However, it has a significant effect on the results obtained during the ram strength test and bending test, as well as on the geometry of the joint. Keywords:  explosive welding; S355J2N, AW1050A, geometry of joint, microhardness Wstęp Technologia zgrzewania wybuchowego metali daje uni- kalne możliwości łączenia materiałów o skrajnie odmien- nych właściwościach, takich jak skład chemiczny, tempe- ratura topnienia, plastyczność itp. Zwykłe różnice te nie pozwalają na zastosowanie tradycyjnych metod łączenia dyfuzyjnego, które w wielu przypadkach powodują wystę- powanie w złączu kruchych związków intermetalicznych. Technologia spajania wybuchowego nie posiada takich ograniczeń, a właściwy dobór parametrów procesu pozwala uzyskać połączenie o bardzo dobrych własnościach wytrzy- małościowych [1,2]. Przykładem połączenia, które otrzyma- no tą metodą jest bimetal stal węglowa S355J2N + alumi- nium AW1050A. Materiał ten może być wykorzystany jako anoda do aktywnej elektrochemicznej ochrony przeciwko- rozyjnej. W tym przypadku istotnym jest dobór parametrów zgrzewania wybuchowego, w celu uzyskania złącza o jak najlepszej jakości. Do parametrów zgrzewania wybuchowe- go zalicza się między innymi wysokość warstwy materiału wybuchowego (H) oraz wstępną odległość pomiędzy zgrze- wanymi materiałami [1,3]. Michał Najwer, Grzegorz Kwiatkowski, Urszula Sobczak W pracy porównywano parametry złącza oraz jego wła- sności mechaniczne (próba odrywania oraz zginania) dla zastosowanych różnych wysokości warstwy materiału wybuchowego (H). Dla wszystkich wykonanych prób, wstęp- ny dystans pomiędzy łączonymi materiałami był jednakowy. Techniki badawcze Materiał do badań W ramach prowadzonych badań wykonano technologią zgrzewania wybuchowego 3 płyty bimetalowe o wymiarach 1000 x 2000 mm, dla których przyjęto zmienną wysokość warstwy materiału wybuchowego (H) przy stałej wstępnej odległości pomiędzy zgrzewanymi blachami. Parametry zgrzewania wybuchowego oraz oznaczenia próbek przed- stawiono w tabeli I. W analizowanym układzie materiałem podstawowym była blacha ze stali węglowej S355J2N o grubości 5 mm, natomiast materiałem nakładanym bla- cha z technicznie czystego aluminium AW1050A o grubości przeglad Welding Technology Review 22 PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA Vol. 88 11/2016 Wyniki badań i ich analiza Badania geometrii złącza Charakterystyczną cechą zgrzewania wybuchowego jest falista budowa złącza. W pierwszym etapie badań przepro- wadzono pomiary charakterystycznych parametrów granicy połączenia t.j. długość (λ) oraz wysokość (h) fali, długość linii złącza (L) oraz pole powierzchni obszarów przetopio- nych (Pi). Na podstawie wyznaczonych parametrów Pi oraz L, z równania (1) wyznaczona została równoważna grubość przetopień (RGP). Schemat pomiarowy przedstawiono na rysunku 1. Próbka Wysokość   materiału   wybuchowego (H) Wstępna odległość  pomiędzy   blachami (h) A 30 mm 5 mm B 32 mm 5 mm C 25 mm 5 mm Tablica I. Oznaczenie próbek oraz parametry zgrzewania wybucho- wego Table I. Marking of specimens and explosive welding parameters Gatunek Zawartość pierwiastków, % wag. S355J2 N C Si Mn P S 0,15 0,31 1,60 0,013 0,004 N Al Cu Cr Ni 0,003 0,040 0,07 0,08 0,05 Tablica II. Skład chemiczny materiału podstawowego Table II. Chemical composition of base material Tablica III. Skład chemiczny materiału nakładanego Table III. Chemical composition of clad material Gatunek Zawartość pierwiastków, % wag. AW-1050A Al Cu Mg Mn Si 99,53 0,0033 0,0029 0,0316 0,0611 Fe Ti Zn Cr 0,3060 0,0124 0,0113 0,0016 Rys. 1. Schemat fali powstałej w wyniku zgrzewania wybuchowego, gdzie: λ – długość fali, h – wysokość fali, P1 i P2– przetopienia, L – linia złącza Fig.  1. Scheme wave created by the explosive welding, where: λ – length of wave, h – height of wave P1 i P2– meld, L – Line of joint   ( 1) gdzie: Pi – pole powierzchni obszarów przetopionych, μm2, L – długość złącza, na którym został przeprowadzony pomiar, μm. Wyniki pomiarów geometrii złącza przedstawiono w tablicy IV. Wykazały one, że największy udział ob- szarów przetopionych występował w próbce A i C, dla których współczynnik RGP wynosi odpowiednio 15,78 μm oraz 12,66 μm. Najlepsze jakościowo złącze uzyskano w próbce B, która charakteryzowała się naj- niższym współczynnikiem RGP=5,45 μm. Połączenie w próbce B charakteryzowało się najmniejszą długością fali (L=118 μm), która w przypadku próbki A była sześcio-, a próbki B pięciokrotnie większa. Dla wszystkich 3 próbek wysokość fali (h) była porównywalna. Geometrię granicy połączenia dla analizowanych przypadków przedstawio- no na rysunku 2. Tablica IV. Wyniki pomiarów złącza Table IV. The measurement results of joint Próbka Średnia   wysokość fali,  μm Średnia   długość fali,   μm RGP,   μm A 81,38 718 15,78 B 70,97 118,7 5,43 C 55,4 560 12,66   a )   b )   c ) Rys. 2. Geometria złącza: a) próbka A, b) próbka B, c) próbka C. Pow. 100 x Fig. 2. Geometry of joint: a) specimen A, b) specimen B, c) specimen C. Pow. 100 x Badania wytrzymałościowe W celu oceny własności wytrzymałościowych wykona- nych układów bimetalowych przeprowadzono na maszy- nie wytrzymałościowej ZD20 Nr 281/58 próby odrywania i zginania bocznego. Schemat przeprowadzanych prób został przedstawiony na rysunku 3, a otrzymane wyniki w tablicy V. Otrzymane wyniki wskazują, że wytrzymałość złącza uzyskana w próbie odrywania jest najwyższa dla prób- ki A, jednakże w tym przypadku oderwanie nastąpiło w złączu. Obserwując parametry otrzymane dla próbki B, można zauważyć około 10% spadek wytrzymałości na odrywanie, ale w tym przypadku, próbka oderwała się w materiale nakładanym. Wskazuje to na wyższą, niż dla próbki A, wytrzymałość złącza. Próbka C, charak- teryzowała się najgorsza wytrzymałością. 5 mm. Skład chemiczny łączonych materiałów przedstawio- no w tablicach II i III. Po wykonaniu układów bimetalowych, dla wszystkich płyt wykonano badania ultradźwiękowe, które wykazały, że materiały zostały połączone na całej po- wierzchni, z wyłączeniem obszaru inicjacji detonacji mate- riału wybuchowego. 23PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA Vol. 88 11/2016   a )   b ) Rys. 3. Schemat przeprowadzonych prób, a) próba odrywania gdzie: 1 – elementy oprzyrządowania, 2 – próbka; b) próba gięcia Fig.  3. Method of performing tests, a) ram strength test, where: 1 - tooling elements, 2 – tested sample; b) bend test Tablica V. Wynik badań wytrzymałościowych Table V. Strength researchs results Próbka Wytrzymałość  na odrywanie Ro  [MPa] Miejsce   zerwania Gięcie boczne A 124 Złącze Pozytywne B 112 Al 1050A Pozytywne C 105 Złącze Pozytywne Próby gięcia przeprowadzono zgodnie z EN13445-2 An- nex D [4]. Wszystkie próbki przeszły badanie z wynikiem pozytywnym. Na powierzchni poddanej obserwacji, nie za- uważono żadnych rozwarstwień oraz pęknięć. Badanie zmian mikrotwardości Badania te wykonano metodą Vickersa na twardościo- mierzu INNOVATEST NEXUS 400 przy obciążeniu 100 G. Odciski wykonano na przekroju próbki w materiale podsta- wowym jak i nakładanym co 200 μm do odległości 2 mm od złącza. Wyniki przedstawiono na rysunku 4. Wyniki badań twardości wskazują, że proces zgrzewa- nia wybuchowego powoduje zwiększenie twardości w po- bliżu linii złącza, co jest spowodowane umocnieniem obu materiałów w skutek zderzenia. Oddalając się od złącza twardość maleje. Jak widać z przedstawionych wyników dla wszystkich próbek twardości obu materiałów są zbliżo- ne co oznacza, że wysokość materiału wybuchowego nie wpływa znacząco na twardości materiałów. Rys. 4. Wyniki rozkładu mikrotwardości Fig. 4. The results of micro-hardness distribution Podsumowanie Na podstawie przeprowadzonych badań można przedstawić następujące wnioski: – Wysokość warstwy materiału wybuchowego mają istotny wpływ na charakter złącza. a) Analiza przeprowadzona dla próbki A, wskazuje, że złącze cechuje się falistą budową oraz występuje większa ilość warstwy pośredniej (przetopień) niż w przypadku dwóch pozostałych płyt testowych. b) W przypadku próbki B, złącze nie posiada charakterystycznej dla platerowania wybuchowego faliste budowy, ale udział przetopień jest najmniejszy w stosunku do dwóch pozostałych próbek oraz właściwości (próba odrywania) są najlepsze. c) Wyniki geometrii złącz próbki C są porównywalne z wynikami tych parametrów dla próbki A, jednakże wytrzymałość na odrywanie w tym przypadku była najgorsza. – Próba odrywania wykazała, że w przypadku próbek A oraz C zerwanie nastąpiło w złączu, zaś w próbce B w materiale Al 1050 co świadczy o większej wytrzymałości złącza niż w przypadku dwóch pozostałych. Uznaje się jednocześnie w oparciu o wyniki próby zginania, że próbka A i próbka B również spełniają standardowe wymagania dla tego typu połą- czeń (aluminium + stal). – Do końcowego wytworzenia partii prototypowej i dla przyszłych realizacji wytypowano parametry procesu przyjęte dla płyty próbnej B. Uznano, że zapewniają one uzyskanie zadawalających rezultatów wytrzymałości i ciągłości złącza. Są jednocześnie dużo pewniejsze pod względem stabilnego prowadzenia procesu przy zmiennych warunkach pogodo- wych czy odchyłkach od geometrii układów strzałowych; nie występuje zjawisko gaśnięcia detonacji. – Badania twardości wykazały, że wysokość materiału wybuchowego nie ma znacznego wpływu na twardości łączonych metali. Literatura [1] Prażmowski M., Rozumek D.: Rozwój pęknięć przy cyklicznym zginaniu w złączu cyrkon-stal powstałych w wyniku zgrzewania wybuchowego, Przegląd Spawalnictwa, nr 4, s. 45-50, 2014. [2] Pocica N., Tuz L.: Ocena mikrostruktury i wybranych własności mecha- nicznych złączy zgrzewanych wybuchowo po obróbce cieplnej, Przegląd Spawalnictwa, nr 4, s. 35-38, 2016. [3] Kwiatkowski G., Rozumek D.: Rozwój pęknięć dla różnych materiałów pla- terowanych wybuchowo, Przegląd Spawalnictwa, nr 4, s. 47-50, 2016. [4] PN-EN 13455-2, 2009, Annex D, Technical delivery conditions for clad pro- ducts for pressure purposes.