СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ПРОЧНОСТНЫХ СВОЙСТВ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ, ПОЛУЧЕННЫХ СВАРКОЙ ТРЕНИЕМ С ПЕРЕМЕШИВАНИЕМ Российский патент 2017 года по МПК C21D9/50 B23K20/12 

Изобретение относится к области сварочного производства, в частности к способу повышения технологических и эксплуатационных характеристик сварных конструкций и сложных деталей, изготовленных из термически упрочняемых алюминиевых сплавов, полученных сваркой трением с перемешиванием.

Известен способ повышения прочностных свойств сварных соединений термически упрочняемых алюминиевых сплавов, в котором детали, соединенные сваркой трением с перемешиванием, подвергаются послесварочной термической обработке в интервале температур 320-400^оF (160-205^оС) от одного до нескольких часов (WO№2004/041468 A2, публ. 21.05.2004). Повышение прочностных свойств происходит за счет выделения частиц вторых фаз, которые были частично или полностью растворены и/или укрупнились во время процесса сварки трением с перемешиванием.

Недостатком прототипа является то, что послесварочное старение, которое предложено в прототипе не оказывает влияния на перераспределение фаз, которые выделяются в процессе сварки трением с перемешиванием, а также не может уменьшить размер уже выделившихся частиц, так как при определенных режимах сварки трением с перемешиванием вместо растворения частиц вторых фаз происходит их укрупнение, что снижает прочностные свойства сварного соединения. Вследствие указанного недостатка, повышение уровня прочностных свойств происходит на относительно небольшой уровень и не может обеспечить достаточно высокой прочности соединения относительно основного материала (коэффициент прочности сварного соединения в этом случае составляет не более 80% от предела прочности основного материала).

320^оF-400^оF по шкале Фаренгейта в переводе соответствует 160^оС-205^оС Цельсия (Большая советская энциклопедия.-М.: Советская энциклопедия, 1969-1978; Берлин А.Я. Техника лабораторной работы в органической химии издание второе, М.: Государственное научно-техническое издательствохимической литературы, 1963, с.29).

Техническим результатом предлагаемого изобретения является создание способа повышения прочностных свойств сварных соединений, полученных сваркой трением с перемешиванием, обеспечивающего повышение коэффициента прочности таких соединений, близкого к уровню основного материала.

Технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе повышения прочностных свойств сварных соединений, полученных сваркой трением с перемешиванием, выполненных из термически упрочняемых алюминиевых сплавов, включающем послесварочное искусственное старение в интервале температур 160^оС-205^оС от одного до нескольких часов, сначала проводят послесварочную термическую обработку на твердый раствор выдержкой в печи в интервале температур от 450^оС до 580 ^оС и выдержкой в данном интервале от 30 минут до нескольких часов c последующей закалкой в воду, а затем послесварочное искусственное старение.

Отличительные признаки:

- термическая обработка на твердый раствор выдержкой в печи в интервале температур от 450^оС до 580 ^оС и выдержкой в данном интервале от 30 минут до нескольких часов c последующей закалкой в воду, приводит к полному растворению частиц вторых фаз, которые выделились и/или укрупнились в процессе сварки трением с перемешиванием;

- последующее искусственное старение в интервале температур 160^оС-205^оС в течение нескольких часов приводит к выделению частиц вторых фаз из пересыщенного твердого раствора, что способствует повышению коэффициента прочности таких соединений, близкого к уровню основного материала.

Пример осуществления предлагаемого изобретения.

В качестве свариваемых деталей использовали листы толщиной 6 мм термически упрочняемого алюминиевого сплава AA6061, относящего к системе Al-Mg-Si. В данной системе сплавов прочностные характеристики достигаются путем закалки в воду с последующим искусственным старением. Для используемого сплава АА6061 использовали следующую термическую обработку (ТО): выдержка в печи при 530 ^оС в течение 1 часа, закалка в воду, затем искусственное старение при 160 ^оС в течение 18 часов с охлаждением на воздухе. В результате подобной термической обработки предел текучести сплава составил 185 МПа, предел прочности 385 МПа, удлинение до разрушения около 20%. Затем листы были соединены методом сварки трением с перемешиванием встык. После процесса соединения сварные соединения были помещены в печь, разогретую до 530 ^оС, на 1 час. После выдержки при данной температуре сварные соединения охладили (закалили) в воде и сразу же поместили в другую печь, разогретую до 160 ^оС. В этой печи сварные соединения выдерживали в течение 18 часов. После выдержки соединения охлаждали на воздухе.

Механические испытания сварных соединений проводили на образцах, вырезанных поперек сварных соединений таким образом, чтобы все зоны сварного соединения, включая основной материал, находились в рабочей (испытываемой) части образца. Испытания основного материала показали, что предел текучести, предел прочности и относительное удлинение до разрыва составили 320 МПа, 355 МПа и 13%, соответственно (таблица 1). Механические испытания сварных соединений, обработанных по способу, описываемому в данном изобретении, показали, что их прочностные характеристики практически достигли уровня основного материала (таблица 1). Предел текучести составил 320 МПа, предел прочности 340 МПа, а относительное удлинение около 8%. Данное повышение прочностных свойств было достигнуто за счет полного растворения частиц в сварном соединении при закалке и повторного его выделения при последующем искусственном старении. За счет этого, в сварном соединении фазовый состав и морфология частиц вторых фаз соответствует фазовому составу и морфологии частиц в основном материале. В результате этого, уровень прочностных свойств сварного соединения достигает уровня близкого прочности основного материала.

Для полного выявления эффекта предложенного способа упрочнения сварных соединений, полученных сваркой трением с перемешиванием, были определены прочностные свойства сварных соединений сразу после сварки и соединения, обработанные по способу, описанному в прототипе, то есть старение при 160 ^оС в течение 18 часов. В случае сварных соединений без какой-либо послесварочной обработки предел текучести составил 130 МПа, предел прочности 200 МПа, а относительное удлинение до разрушения около 8,5% (таблица 1). В случае послесварочной термической обработки по прототипу предел текучести составил 185 МПа, предел прочности 225 МПа, а относительное удлинение до разрушения около 3,5% (таблица 1).

Таблица 1

Результаты испытаний сплава АА6061 и выполненных из него сварных соединений

Состояние Предел текучести, МПа Предел прочности, МПа Удлинение до разрушения, % Лист сплава АА6061 после ТО 320 355 13 Сварное соединение без ТО 130 200 8,5 Сварное соединение с ИС 185 225 3,5 Сварное соединение с ТО 290 340 8

Таким образом, предложенный способ позволяет получать сварные конструкции из термически упрочняемых алюминиевых сплавов с повышенными механическими свойствами и коэффициентом прочности таких соединений, близким к уровню основного материала. Предложенный способ может быть использован для изготовления различных конструкций для автомобильной промышленности, в частности для производства дисков автомобильных колес.

Изобретение может быть использовано для повышения технологических и эксплуатационных характеристик сварных конструкций и сложных деталей, изготовленных из термически упрочняемых алюминиевых сплавов, полученных сваркой трением с перемешиванием, в частности, при изготовлении различных конструкций для автомобильной промышленности, например для производства дисков автомобильных колес. Сначала проводят послесварочную термическую обработку на твердый раствор с выдержкой в печи в интервале температур от 450°С до 580°С в течение от 30 до 60 минут с последующей закалкой в воду. Затем осуществляют послесварочное искусственное старение в интервале температур от 160°С до 205°С в течение от 1 до 18 часов. Способ позволяет получать сварные конструкции из термически упрочняемых алюминиевых сплавов с высокими механическими свойствами и коэффициентом прочности соединений, близким к уровню основного материала. 1 табл.

Способ термической обработки сварных соединений, полученных сваркой трением с перемешиванием, выполненных из термически упрочняемых алюминиевых сплавов, включающий послесварочное искусственное старение, отличающийся тем, что сначала проводят послесварочную термическую обработку на твердый раствор с выдержкой в печи в интервале температур от 450°С до 580°С в течение от 30 до 60 минут с последующей закалкой в воду, а затем послесварочное искусственное старение в интервале температур от 160°С до 205°С в течение от 1 до 18 часов.