Способ изготовления сварных конструкций из термически неупрочняемых алюминиевых сплавов Российский патент 2018 года по МПК B23K20/12 C22F1/04 B23K103/10 

Настоящее изобретение относится к области сварки трением с перемешиванием, в частности к области сварки трением с перемешиванием термически неупрочняемых алюминиевых сплавов.

Из уровня техники известно, что сварные соединения термически неупрочняемых алюминиевых сплавов, в частности системы Al-Mg-Sc-Zr, получаемые сваркой трением с перемешиванием (S. Malopheyev, V. Kulitskiy, S. Mironov, D. Zhemchuzhnikova, R. Kaibyshev, Friction-stir welding of an Al-Mg-Sc-Zr alloy in as-fabricated and work-hardened conditions, Materials Science & Engineering A, 2014, v.600, pp. 159-170), обладают различным уровнем механических характеристик в основном материале и сварном шве из-за сильного различия структурных составляющих указанных областей. Это приводит к таким негативным последствиям как локализация деформации в зоне сварного соединения, влекущая за собой быстрое разрушение сварных конструкций.

Задачей предлагаемого изобретения является создание сварных конструкций из термически неупрочняемых алюминиевых сплавов методом сварки трением с перемешиванием, структура и свойства которых будут равны по всему объёму получаемого изделия, что позволит обеспечить высокую надёжность конструкции в процессе эксплуатации.

Задача решается тем, что исходную заготовку термически неупрочняемого алюминиевого сплава подвергают равноканальному угловому прессованию (РКУП) при температурах от 250 до 290°С и при температурах от 310 до 500 °С не менее 8 проходов, по маршруту BС, что обеспечивает формирование в заготовке рекристаллизованной структуры с размером зерна от 0,1 до нескольких десятков микрон, доля которой будет не менее 75%. После чего проводится изотермическая прокатка заготовки при температуре, близкой или равной температуре РКУП и не превышающей эту температуру более чем на 50°С с целью получения листовых полуфабрикатов требуемых размеров с сохранением структуры и механических свойств, полученных в результате РКУП. Затем из этих листовых полуфабрикатов изготавливают неразъемные сварные соединения или конструкции сваркой трением с перемешиванием с частотой вращения инструмента в диапазоне от 300 до 1200 об/мин и скоростью от 10 до 6000 мм/мин. При этом параметры сварки трением с перемешиванием подбираются таким образом, чтобы в сварном шве сформировать структуру, близкую или идентичную структуре листовых полуфабрикатов. Это обеспечит близкий или равный уровень механических и пластических свойств сварного шва со свойствами листовых полуфабрикатов, что гарантирует равномерное нагружение сварного соединения или конструкции и, как следствие, отсутствие локализации деформации, приводящей к катастрофическому разрушению.

Маршрут Bc равноканального углового прессования подразумевает поворот заготовки вокруг своей продольной оси на угол 90° после каждого прохода. Индекс C указывает на то, что во время прессования направление поворота сохраняется, то есть всегда против или всегда по часовой стрелке.

При осуществлении заявленного способа сварные конструкции обладают высоким уровнем эксплуатационной надёжности из-за равного по всему объёму изделия уровня механических свойств.

Осуществление изобретения

Способ создания сварных конструкций с однородной структурой и свойствами по всему объёму состоит из трёх технологических операций:

1) РКУП заготовки алюминиевого сплава. Проводится при температурах от 250 до 290°С и при температурах от 310 до 500°С. При этом осуществляется не менее 8 проходов по маршруту BC. Такая комбинация параметров прессования позволит сформировать в заготовке алюминиевого сплава структуру с размером зерна от 0,1 до нескольких десятков микрон с объёмной долей рекристаллизованных зерен не менее 75%. Данная технологическая операция позволяет сформировать в заготовке структуру, аналогичную той, что возникает в зоне перемешивания сварного шва, полученного сваркой трением с перемешиванием. Это позволит получить близкий или равный уровень прочностных и пластических свойств в сварном шве и основном материале и, следовательно, получить однородность свойств по всему объёму сварного изделия;

2) Изотермическая прокатка, осуществляемая при температуре, не ниже температуры РКУП и не превышающей эту температуру более чем на 50°С. Цель данной технологической операции – получение листовых полуфабрикатов необходимого размера с сохранением структуры и свойств, полученных после РКУП.

3) Сварка трением с перемешиванием полученных полуфабрикатов для получения конечного изделия. При этом параметры сварки подбираются таким образом, чтобы обеспечить структуру сварного соединения, близкую или идентичную структуре основного материала полуфабрикатов, т.е. сравнимый размер зерна и плотность дислокаций. Так, частота вращения инструмента выбирается в диапазоне от 300 до 1200 об/мин, а скорость подачи сварочного инструмента от 10 до 6000 мм/мин.

Известно, что когда уровень механических характеристик сварного соединения ниже, чем основного материала, то при превышении предела текучести это приводит к локализации деформации в шве с почти мгновенным разрушением.

Однородность структурных элементов основного материала и сварных соединений обеспечит получение одинакового уровня механических характеристик во всём объёме сварной конструкции. Так, если в процессе эксплуатация произойдёт превышение уровня пластичности, то это не приведёт к локализации деформации и быстрому разрушению конструкции, так как нагрузка будет равномерно распределена по всему сварному соединению, включая основной материал. Следовательно, предлагаемый способ изготовления приведёт к повышению эксплуатационной надёжность сварных конструкций.

Изобретение может быть использовано при изготовлении сварных конструкций из термически неупрочняемых алюминиевых сплавов с применением сварки трением с перемешиванием. Осуществляют равноканальное угловое прессование исходной заготовки по маршруту ВС не менее чем за 8 проходов с комбинированием температуры нагрева в диапазоне 250-500°C из условия получения рекристаллизованной структуры алюминиевого сплава заготовки с объемной долей рекристаллизационных зерен не менее 75%. Затем проводят изотермическую прокатку полученной заготовки при температуре, не менее, чем температура проведения прессования, и не более чем на 50°C превышающей упомянутую температуру, с получением листовых полуфабрикатов заданного размера. После чего соединяют полученные листовые полуфабрикаты сваркой трением с перемешиванием. Выбирают частоту вращения инструмента и скорость его подачи из условия получения структуры сварного соединения, идентичной структуре полуфабриката алюминиевого сплава. Предлагаемый способ обеспечивает повышение эксплуатационной надёжности сварных конструкций.

Способ изготовления сварных конструкций из термически неупрочняемых алюминиевых сплавов, включающий равноканальное угловое прессование исходной заготовки, которое осуществляют по маршруту ВС не менее чем за 8 проходов с комбинированием температуры нагрева в диапазоне 250-500°C из условия получения рекристаллизованной структуры алюминиевого сплава заготовки с объемной долей рекристаллизационных зерен не менее 75%, после чего проводят изотермическую прокатку полученной заготовки при температуре, не менее, чем температура проведения прессования, и не более чем на 50°C превышающей упомянутую температуру, с получением листовых полуфабрикатов заданного размера, а затем соединяют полученные листовые полуфабрикаты сваркой трением с перемешиванием, при этом выбирают частоту вращения инструмента и скорость его подачи из условия получения структуры сварного соединения, идентичной структуре полуфабриката алюминиевого сплава.