Способ получения сварных конструкций алюминиевого сплава с высокой вязкостью разрушения Российский патент 2017 года по МПК B23K20/24 B23K20/12 B23K103/10 C21D8/02 

Изобретение относится к области сварки, в частности к способу получения сварных конструкций алюминиевых сплавов методом сварки трением с перемешиванием. Предназначено для сварки листов сплавов системы Al-Mg и может быть использовано для получения ответственных конструкций в авиа- и ракетостроении, судостроении и других областях машиностроения.

Благодаря сочетанию высоких механических свойств, устойчивости к коррозии, хорошей свариваемости и низкому весу, термически не упрочняемые сплавы на основе алюминия с магнием широко применяются в качестве конструкционных материалов в различных областях машиностроения. Процесс получения высокопрочной конструкции связан с осуществлением сварки полуфабрикатов, чаще всего листовых заготовок, различными способами. Традиционно соединение алюминиевых сплавов осуществляли аргонно-дуговой сваркой, однако в 1991 году был запатентован новый метод создания сварных соединений (US №5460317 A, опубл. 24.10.1995), являющийся на сегодняшний день одним из самых перспективных (R.S. Mishra, Z.Y. Ma, Friction Stir Welding and Processing//Material Science and Engineering R., 2005, v. 50, p. 1-78; F.C. Liu, Z.Y. Ma. Achieving exceptionally high superplasticity at high strain rates in a micrograined Al–Mg–Sc alloy produced by friction stir processing //Scripta Materialia, 2008, v. 59, p. 882–885). Данный вид сварки обладает множеством преимуществ по сравнению с традиционными способами получения сложных конструкций, основными из которых являются возможность соединения разнородных материалов, значительное снижение веса готового изделия, отсутствие пористости и простота исполнения. Процесс сварки трением является твердофазным, что исключает расплавление материала; в его основе лежит интенсивная пластическая деформация при повышенных температурах, осуществляемая за счет сварочного инструмента. Благодаря воздействию деформации и температуры в зоне сварки формируется мелкозернистая структура, а в зоне термического влияния – смешанная структура со средним размером зерен между основным материалом и швом. Такая сильная структурная неоднородность приводит к разрушению конструкции по границам зон, сильно отличающихся размерами зерен, и не обеспечивает должного уровня прочности и надежности при эксплуатации. Помимо этого современные способы изготовления изделий сложной формы в промышленности основаны на последующем процессе многоступенчатого сложного формообразования конструкции методами деформации давлением, где требуются высокие значения вязкости разрушения и удлинения всего соединения в целом. В этой связи получение листосварных полуфабрикатов с высокой однородностью структуры, обеспечивающей равнопрочность всех зон сварного соединения и высокую вязкость разрушения, является важной технологической задачей.

Известен способ получения сварных конструкций из литых алюминиевых сплавов (RU №2482944, опубл. 27.05.2013), где предлагается способ получения конструкции, состоящей из литых деталей, либо содержащую литую деталь, и имеющую прочность не ниже прочности основного металла. Однако в предложенном варианте используют 2 вида сварки – сварка трением с перемешиванием и аргонодуговую, что значительно усложняет процесс получения соединения. Кроме того, данный способ не всегда применим к конструкциям сложной формы, так как предусматривает промежуточную обработку свариваемых кромок сваркой трением с перемешиванием и дальнейшую механическую обработку.

Известен способ получения высокопрочных сварных конструкций из сплава на основе алюминия с добавками цинка, магния, меди в качестве основных легирующих элементов (US №6524410, опубл. 25.02.2003). Способ включает в себя отливку слитков сплава, гомогенизацию, экструзию, закалку на твердый раствор, старение, сварку соединяемых элементов и дальнейшее старение всей конструкции при комнатной температуре. Одним из способов сварки указана сварка трением с перемешиванием. Основным недостатком способа является отсутствие возможности контроля роста зерен между операциями экструзии и дальнейшего нагревания, следовательно, при данной обработке невозможно добиться однородности структуры, где размер зерен свариваемого материала не превышал бы значительно размера зерен в сварном шве.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ сварки трением с перемешиванием алюминиевых сплавов 5ХХХ серии (Al-Mg сплавов), содержащих частицы вторых фаз (EP №2687313, опубл. 22.01.2014), размер которых составляет менее 5 мкм, предпочтительно 2-3 мкм, а плотность менее или равна 10000 частиц/мм². Однако известно, что в процессе сварки трением с перемешиванием происходит механическое дробление крупных частиц в зоне шва (Raza Moshwan, Farazila Yusof, M. A. Hassan, S. M. Rahmat, Effect of tool rotational speed on force generation, microstructure and mechanical properties of friction stir welded Al–Mg–Cr–Mn (AA 5052-O) alloy//Materials and Design, 2015, 66, р.118–128). В результате происходит диссоциация частиц вторых фаз с последующим изменением их исходной формы, что в конечном итоге приводит к потере прочности в сварной зоне. Поскольку в указанном изобретении не предусмотрена какая-либо обработка полуфабрикатов перед сваркой, то различия в размерах дисперсоидов и/или фазовом составе после проведения операции могут привести к неоднородности механических свойств всего соединения.

Технической задачей изобретения является разработка способа получения сварных конструкций Al–Mg сплава с высокой однородностью структуры, что обеспечивает повышенные значения вязкости разрушения и механических свойств всего соединения.

Заявляемый технический результат достигается за счет того, что способ получения сварных конструкций алюминиевого сплава с высокой вязкостью разрушения включает соединение листовых заготовок сваркой трением с перемешиванием, после проведения следующих операций:

1) получение листовых заготовок сплава путем деформационно-термической обработки, включающей в себя следующие операции:

− интенсивную пластическую деформацию в интервале температур 150-450°С, обеспечивающую не менее 50% объемной доли рекристаллизованных зерен размером до 10 мкм, одним из способов: прокатка, ковка, равноканальное угловое прессование, экструзия. Данная операция позволяет сформировать мелкозернистую структуру в полуфабрикатах сплава и добиться высокой однородности свойств;

− прокатку в интервале температур 150-450°С с суммарной степенью деформации не менее 40% с целью получения листов сплава из объемных полуфабрикатов;

2) механическую обработку свариваемых кромок листов;

Результатом предложенной обработки является получение более однородной структуры листосварной конструкции Al-Mg сплавов, обладающей высокими значениями вязкости разрушения. Предлагаемая обработка для получения листов сплава обеспечивает равномерную проработку структуры в свариваемых полуфабрикатах, тем самым снижая возможность образования ярковыраженных границ соединения при последующей сварке и последующее преждевременное разрушение конструкции по этим границам.

Подобное сочетание предварительной термомеханической обработки с последующей сваркой обеспечивает однородность структуры листосварных полуфабрикатов.

Предложенное изобретение позволяет получить заготовки с одинаковым размером зерен как в основном материале, так и в зоне шва, что обеспечивает высокую вязкость разрушения соединения.

Примеры осуществления.

Пример 1. Из слитка сплава системы Al-Mg вырезались заготовки для деформационно-термической обработки, состоящей из равноканального углового прессования при температуре 300°С до истинной степени деформации ~ 12 и изотермической прокатки при 300°С до суммарной степени деформации 80%. Сформированная в результате такой обработки структура сплава состояла из зерен со средним размером ~1,5 мкм и объемной долей ~ 90%. Полученные листы соединяли сваркой трением с перемешиванием при скорости вращения инструмента 500 об/мин и скорости подачи 150 мм/мин. Угол наклона инструмента к свариваемой поверхности составлял 2,5°. Размер зерен центральной части шва составил ~ 1 мкм.

Пример 2. Отличающийся от примера 1 тем, что прокатку проводили до суммарной степени деформации 40%. Средний размер зерен сплава после такой обработки был равен ~ 2 мкм, объемная доля составляла ~ 80%.

Из полученных листосварных полуфабрикатов были вырезаны образцы для испытания механических свойств при комнатной температуре. При определении статических свойств направление оси деформации было перпендикулярно направлению сварки, при этом сварной шов располагался в центре рабочей части образца. Для испытаний на ударную вязкость вырезались образцы с концентратором вида V, надрез также располагался в центральной части ядра сварного шва. Результаты испытаний механических свойств сварных швов Al-Mg сплава при комнатной температуре приведены в таблице 1.

Таблица 1

Предел текучести, МПа Предел прочности, МПа Относительное удлинение до разрушения, % Значение ударной вязкости, Дж/см² Пример 1
220 340 7 95 Пример 2
325 400 10 90

Как видно из приведенных данных, предлагаемый способ получения листосварных заготовок Al-Mg сплава позволяет сформировать листы сплава с однородной структурой и высокой долей рекристаллизованных зерен, размер которых не сильно превышает размер зерен получаемого далее сварного шва. В результате этого снижается анизотропия свойств сварного соединения при одновременном повышении вязкости разрушения и статических механических свойств.

Подобное сочетание предварительной термомеханической обработки с последующей сваркой обеспечивает однородность структуры листосварных полуфабрикатов. Предложенное изобретение позволяет получить заготовки с одинаковым размером зерен как в основном материале, так и в зоне шва, что обеспечивает высокую вязкость разрушения соединения.

Изобретение может быть использовано для получения сварных конструкций алюминиевых сплавов методом сварки трением с перемешиванием, в частности для соединения листов из сплавов системы Al-Mg. Листовые полуфабрикаты сплава получают с использованием интенсивной пластической деформации в интервале температур 150-450°C, обеспечивающей не менее 50% объемной доли рекристаллизованных зерен размером до 10 мкм. Затем осуществляют изотермическую прокатку в интервале температур 150-450°C с суммарной степенью деформации не менее 40% и последующую механическую обработку свариваемых кромок листов. Осуществляют сварку трением с перемешиванием. Сочетание предварительной термомеханической обработки с последующей сваркой обеспечивает однородность структуры листосварных полуфабрикатов. Изобретение позволяет получить заготовки с одинаковым размером зерен, как в основном материале, так и в зоне шва, что обеспечивает высокую вязкость разрушения соединения. 2 з.п. ф-лы, 1 табл., 2 пр.

1. Способ получения сварной конструкции из алюминиевого сплава с высокой вязкостью разрушения, включающий соединение листовых заготовок сваркой трением с перемешиванием, отличающийся тем, что предварительно листовые заготовки подвергают интенсивной пластической деформации в интервале температур 150-450°C, обеспечивающей не менее 50% объемной доли рекристаллизованных зерен размером до 10 мкм, с последующей прокаткой в интервале температур 150-450°C с суммарной степенью деформации не менее 40% и последующей механической обработкой свариваемых кромок листов.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что интенсивную пластическую деформацию осуществляют прокаткой, ковкой, равноканальным угловым прессованием или экструзией.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что листовые заготовки соединяют сваркой трением с перемешиванием при скорости вращения инструмента 500 об/мин и скорости подачи 150 мм/мин, при этом угол наклона инструмента к свариваемой поверхности составляет 2,5°.