FI121471B - Hitsattu rakenne, joka on valmistettu AlMgMn-seoksesta - Google Patents

Description

Hitsattu rakenne, joka on valmistettu AlMgMn-seoksesta Svetsad konstruktion framställd av en AlMgMn-legering 5 Tämä keksintö liittyy patenttivaatimuksen 1 johdannon mukaisista AlMgMn-tyyppi-sistä alumiiniseoksista valssaamalla tai puristamalla valmistetuista tuotteista, kuten levyistä, profiileista, langoista tai putkista, hitsaamalla valmistettuihin rakenteisiin, joilla on korkea myötöraja, hyvä väsymislujuus ja hyvä sitkeys. Rakenteita voidaan käyttää mm. laivoissa, kuorma-autoissa tai polkupyörien rungoissa.

10

Alumiiniseoksesta valmistettujen hitsattujen rakenteiden optimaalista mitoitusta ajateltaessa käytetään Aluminium Associationin nimistön 5000-sarjan AlMg-seok-sia joko kylmämuokattuna seoksena (H1 -tila, standardi NF-EN-515), osittain pehmitettynä (H2-tila) tai stabiloituna (H3-tila), mieluummin hyvin korroosiota kestävä-15 nä (H116-tila) kuin hehkutettuna (0-tila).

Useimmiten mekaanisten ominaisuuksien parantuminen 0-tilaan nähden ei kuitenkaan säily hitsauksen jälkeen, ja yleisesti ottaen tyyppihyväksyntä- ja tarkastusor-ganisaatiot suosittelevat, että hitsatuissa rakenteissa otettaisiin huomioon vain 0-20 tilan ominaisuudet. Mitoituksessa tulee ottaa huomioon myös väsymislujuus sekä särönmuodostumisnopeus.

Tällä saralla tutkimustyö on keskittynyt pääasiallisesti itse hitsauksen suorittamiseen. Lisäksi on pyritty parantamaan kappaleen korroosionkestoa sopivilla termo-25 mekaanisilla käsittelyillä.

Japanilainen patenttihakemus JP 06-212373 on esittänyt hitsaamisesta johtuvan mekaanisen keston heikkenemisen minimoimiseksi käytettäväksi seosta, joka sisältää 1,0-2,0 % Mn, 3,0-6,0 % Mg ja vähintään 0,15 % rautaa. Kuitenkin käytet-30 täessä seosta, jonka mangaanipitoisuus on näin suuri, väsymislujuus ja sitkeys ovat heikommat.

Tämän keksinnön tarkoituksena on parantaa määrätyissä hitsaus-olosuhteissa merkittävästi AlMgMn-seoksista valmistettujen hitsattujen rakenteiden mekaanista 35 kestoa ja väsymislujuutta ilman epäsuotuisia vaikutuksia muihin parametreihin ku- 2 ten sitkeyteen ja korroosionkestoon ja sisäisistä jännityksistä johtuvaan deformoi-tumiseen leikkaamisen aikana.

Hitsatuissa rakenteissa lähtömateriaali on valmistettu AlMgMn-seoksesta, jonka 5 koostumus on (paino %): 3,0 < Mg < 5,0; 0,5 < Mn < 1,0; Fe < 0,25; Si < 0,25; Zn < 0,40 sekä muita alkuaineita kutakin < 0,05 ja < 0,15 yhteensä, jolloin Mn + 2Zn > 0,75.

Keksinnön mukaan dispersoidien tilavuusfraktio on yli 1,2 %.

10

Lisäksi materiaali mahdollisesti sisältää vähintään yhtä alkuaineista Cr, Cu, Ti, Zr niin, että: Cr < 0,25; Cu < 0,2; Ti < 0,20; Zr < 0,20.

Poiketen aiemmista tutkimuksista, joiden kohteena ovat olleet hitsausmenetelmät 15 ja termomekaaniset käsittelyt, keksijät ovat löytäneet erityisen vähäisinä määrinä lisättävien alkuaineiden, erityisesti raudan, mangaanin ja sinkin, koostumusalueen, jolla saavutetaan joukko kiintoisia ominaisuuksia, joissa yhdistyvät staattiset mekaaniset piirteet, sitkeys, väsymislujuus, korroosion ja leikkausdeformoitumisen kesto näiden ominaisuuksien ollessa erityisen sopivat ajatellen näiden seosten 20 käyttöä laivanrakennuksessa, hyötyajoneuvoissa tai hitsattujen polkupyörien rungoissa.

Nämä ominaisuudet saavutetaan yhdistämällä pieni rautapitoisuus, < 0,25 %, edullisesti < 0,20 %, jopa <0,15 %, ja sellaiset mangaani- ja sinkkipitoisuudet, että 25 Mn + 2Zn > 0,75 %, edullisesti > 0,8 %. Mn-pitoisuuden täytyy olla > 0,5 %, edullisesti > 0,8 5, jotta päästään riittäviin mekaanisiin ominaisuuksiin, mutta kuitenkin alle 1 %, mikäli sitkeyden ja väsymislujuuden halutaan säilyvän. Sinkin lisäämisellä mangaanin kanssa on osoittautunut olevan suotuisa vaikutus hitsattujen levyjen ja liitosten mekaanisiin ominaispiirteisiin. On kuitenkin syytä olla ylittämättä 0,4 %, 30 sillä tällöin saattaa ilmetä hitsausvaikeuksia.

Magnesiumin määrä saisi edullisesti olla > 4,3 %, koska sillä on suotuisa vaikutus myötörajaan ja väsymislujuuteen, mutta yli 5 %:lla korroosionkesto ei ole niin hyvä. Myös Cu- ja Cr-lisäykset vaikuttavat suotuisasti myötörajaan, mutta Cr-pitoisuus 35 saisi edullisesti olla < 0,15 %, jotta saataisiin säilytettyä hyvä väsymislujuus.

3

Levyjen mekaaninen lujuus riippuu sekä magnesiumpitoisuudesta kiinteässä liuoksessa että mangaanidispersoideissa. On havaittu, että näiden dispersoidien tila-vuusfraktio, joka liittyy rauta- ja mangaanipitoisuuksiin, tulee mieluiten pitää alle 5 arvon 1,2 %. Tämä tilavuusfraktio lasketaan mitattujen kiilloitettujen kolmeen suuntaan (pituus, leveys ja paksuus) tehtyjen leikkauskohtien pintafraktioiden keskiarvosta, apuna pyyhkäisyelektronimikroskooppi ja kuva-analyysi.

Keksinnön mukaiset tuotteet voivat olla valssattuja tai puristettuja, esimerkiksi 10 kylmä- tai kuumavalssattuja levyjä, lankoja, profiileja tai puristettuja ja mahdollisesti vielä vedettyjä putkia.

Keksinnön mukaisissa levyissä, jotka kootaan hitsaamalla päittäishitsauksen avulla MIG- tai TIG-menetelmällä kulman ollessa noin 45° ja noin 2/3 paksuudesta, 15 myötöraja R0,2 voi hitsausalueella olla vähintään 25 MPa suurempi kuin perinteisellä seoksella, jonka magnesiumpitoisuus on yhtä suuri, eli saavutetaan 20 prosentin luokkaa oleva hyöty.

Lämmön vaikutukselle altistuva alue pienenee noin kolmanneksella suhteessa ta-20 valliseen 5083-seokseen, ja hitsatun liitoksen kovuus nousee noin arvosta 75 Hv yli arvon 80 Hv. Myös hitsattujen liitosten murtolujuus ylittää minimin, jonka tarkas-tusorganisaatiot ovat asettaneet hitsaamattomille kylmämuokatuille raakalevyille.

Keksinnön mukaisten levyjen väsymislujuus, mitattuna tasossa taivutettuna jänni-25 tysten suhteen ollessa R = 0,1 poikittais/pitkittäissuuntaan otetuissa näytteissä, on suurempi kuin: 105 sykliä maksimijännityksellä > 280 MPa 106 sykliä maksimijännityksellä > 220 MPa 107 sykliä maksimijännityksellä > 200 MPa 30

Halkeamanetenemisnopeus ΔΚ, mitattuna kun R = 0,1, on > 22 MPaVm kun da/dN = 510"4 mm/sykli ja > 26 MPaVm kun da/dN = 10'3 mm/sykli.

Keksinnön mukaiset levyt ovat yleensä yli 1,5 mm paksuja. Paksuuden ollessa yli 35 2,5 mm ne voidaan valmistaa suoraan kuumavalssaamalla ilman, että tarvitaan 4 myöhempää kylmävalssausta, ja lisäksi nämä kuumavalssatut levyt vääntyvät leikattaessa vähemmän kuin kylmävalssatut levyt.

Keksinnön mukaisten levyjen korroosionkesto on yhtä hyvä kuin tavallisilla seoksil-5 la, jotka sisältävät saman verran magnesiumia, esimerkiksi tavallinen koostumus 5083, joka on laajassa käytössä laivanrakennusalalla.

Esimerkki

Valmistettiin 13 koelevyä tavallisella puolijatkuvalla levyjen valumenetelmällä, niitä 10 pidettiin 20 tuntia > 500 celsiusasteen lämpötilassa ja valssattiin sitten kuumana lopulliseen paksuuteensa 6 mm. Levy numero 0 edustaa perinteistä 5083-koostu-musta, numero 1 hieman keksinnöstä poikkeavaa koostumusta. Muilla yhdellätoista (2-12) koostumus on keksinnön mukainen. Koostumukset olivat seuraavat (painoprosentteina): 15

Levy Mg Cu Mn Fe Cr Zn Ti Zr 0 4,40 <0,01 0,50 0,27 0,09 0,01 0,01 1 4,68 <0,01 0,72 0,12 0,05 <0,01 0,01 2 4,56 <0,01 0,83 0,12 0,13 0,01 0,01 20 3 4,60 <0,01 0,85 0,17 0,10 0,16 0,01 4 4,62 <0,01 0,96 0,10 0,05 0,02 0,01 5 4,80 0,09 0,80 0,11 0,03 0,02 0,01 6 4,72 <0,01 0,87 0,13 0,03 0,02 0,01 0,11 7 4,88 0,05 0,78 0,16 0,02 0,01 0,09 25 8 4,92 0,06 0,94 0,08 0,02 0,19 0,01 9 4,69 <0,01 0,72 0,07 0,02 0,10 0,01 10 4,71 <0,01 0,82 0,06 0,02 <0,01 0,01 11 4,73 <0,01 0,95 0,17 0,03 <0,01 0,01 12 4,70 <0,01 0,92 0,22 0,03 0,01 0,01 30

Valssauksen jälkeen on kaikkien koelevyjen myötöraja R0,2 > 220 MPa L-suunnas-sa.

5 Näiden levyjen hitsattujen saumojen mekaaninen lujuus mitattiin seuraavissa olosuhteissa: automaattinen jatkuva MIG-päittäishitsaus, symmetrinen 45° kulma pystysuuntaan nähden 4 mm paksuudelta ja hitsauslanka 5183-seosta.

5 Mekaaniset ominaisuudet (murtolujuus Rm, myötöraja R0>2) saatiin vetämällä koepaloja, jotka oli normalisoitu norjalaisen laivanrakennusalan tarkastusorganisaati-on DNV edellyttämällä tavalla ja jotka olivat 140 mm pitkiä, 35 mm leveitä, 15 mm paksu hitsauslanka keskellä ja näytteen kapean osan ollessa 27 mm, ts. langan leveyden ja kahden paksuuden summa (15 + 12 mm).

10

Mitattiin myös mangaanidispersioiden tilavuusfraktiot.

Tulokset olivat seuraavat (lujuudet MPa ja fraktiot %):

Lew Rm Roj fraktiot 15 0 285 131 0,62 1 292 144 1,2 2 302 150 1,4 3 300 146 1,6 4 310 158 1,7 20 5 309 149 1,4 6 305 155 1,5 7 315 166 1,3 8 318 164 1,9 9 310 153 1,5 25 10 312 150 1,5 11 315 153 1,6 12 315 151 1,5

Voidaan havaita, että keksinnön mukaisesti hitsattujen koelevyjen myötöraja on 30 verrokkikoelevyihin verrattuna 15-35 MPa suurempi.

Mitattiin myös levyistä 0-5 väsymislujuus hitsaamattomista levyistä tasotaivutuk-sella, R = 0,1, mittaamalla 106 ja 107 sykliä vastaavat maksimaaliset jännitykset (MPa) samoin kuin halkeamanetenemisnopeus ΔΚ, mitattuna kun da/dN = 5 10'4 35 mm/sykli (MPaVm).

6

Tulokset olivat seuraavat:

Levy 106 sykliä 107 sykliä ΔΚ 5 0 220 200 22 1 235 205 22 2 230 200 23 3 225 200 23 4 230 205 22 10 5 225 200 22

Havaitaan, että huolimatta mekaanisen lujuuden lisääntymisestä keksinnön mukaisten levyjen väsymislujuus on vähintään yhtä hyvä kuin perinteisillä 5083-levyillä.

15

Claims (13)

1. Hitsattu rakenne, joka on valmistettu AlMgMn-seoksesta, jonka koostumus on (paino-%): 5 3,0<Mg<5,0 0,5 <Mn < 1,0 Fe < 0,25 Si <0,25 Zn < 0,40 10 sekä muita alkuaineita kutakin < 0,05 ja yhteensä < 0,15, jolloin Mn + 2Zn > 0,75, tunnettu siitä, että dispersoidien tilavuusfraktio on yli 1,2 %.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen hitsattu rakenne, tunnettu siitä, että koostu-15 muksessa Mg > 4,3 %.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen hitsattu rakenne, tunnettu siitä, että koostumuksessa M n > 0,8 %.

4. Jonkin patenttivaatimuksen 1-3 mukainen hitsattu rakenne, tunnettu siitä, että koostumuksessa Fe < 0,20 %.

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen hitsattu rakenne, tunnettu siitä, että koostumuksessa Fe < 0,15 %. 25

6. Jonkin patenttivaatimuksen 1-5 mukainen hitsattu rakenne, tunnettu siitä, että se on valmistettu levystä, joka on > 2,5 mm paksu ja joka on yksinomaan kuumavalssattu. 1 2 3 4 5 6

7. Jonkin patenttivaatimuksista 1-6 mukainen hitsattu rakenne, tunnettu siitä, 2 että sen valmistukseen käytetyn hitsaamattoman levyn väsymislujuus, mitattuna 3 tasossa taivutettuna kun R = 0,1 poikittais/pitkittäissuunnassa, on suurempi kuin: 4 105 sykliä maksimijännityksellä > 280 MPa 5 106 sykliä maksimijännityksellä > 220 MPa 6 107 sykliä maksimijännityksellä > 200 MPa.

8. Jonkin patenttivaatimuksen 1-8 mukainen hitsattu rakenne, tunnettu siitä, että sen valmistukseen käytetyssä levyssä halkeamanetenemisnopeus ΔΚ, mitattuna kun R = 0,1, on yli:

22 MPaVm kun da/dN = 510'4 mm/sykli 5 26 MPaVm kun da/dN = 10'3 mm/sykli.

9. Jonkin patenttivaatimuksen 1-8 mukaisen hitsatun rakenteen käyttö laivara-kenteissa.

10. Jonkin patenttivaatimuksista 1-8 mukaisen hitsatun rakenteen käyttö kuor ma-autoissa.

11. Jonkin patenttivaatimuksen 1-8 mukaisen hitsatun rakenteen käyttö polkupyörien rungoissa. 15

12. Jonkin patenttivaatimuksen 1-8 mukainen hitsattu rakenne, tunnettu siitä, että sen valmistukseen käytetyt levyt on hitsattu sulattamalla ja hitsatun alueen kovuus on > 80 Hv.

13. Jonkin patenttivaatimuksen 1-8 mukainen hitsattu rakenne, tunnettu siitä, että lisäksi sisältää yhtä tai useampaa alkuaineista Cr, Cu, Ti, Zr niin, että Cr < 0,25 Cu < 0,2 Ti <0,20 25 Zr < 0,20 1 2 3 4 Jonkin patenttivaatimuksen 1-8 mukainen hitsattu rakenne, tunnettu siitä, 2 että 3 Mn + 2Zn > 0,8 %. 4 30