Способ изготовления сварных соединений из сплавов системы алюминий-магний-литий

 

Использование: изготовление сварных соединений из сплавов системы алюминий-магний-литий, используемых в процессе получения полуфабрикатов из сплавов этой системы, предназначенных для сварных конструкций в авиационной промышленности и новой технике. Сущность изобретения состоит в том, что после закалочного охлаждения со скоростью 0,6-3°С/с и двух-ступенчатого старения при 160-185°С 2-5 ч на I ступени и при 200-225°С, 1-3 ч на II ступени, проводят сварку и дополнительное старение при 200-225°С в течение 0,5-2 ч, при этом суммарная выдержка при 220-225°С не превышает 4 ч. 2 табл.

Изобретение относится к способам изготовления сварных соединений из сплавов системы алюминий-магний-литий и может быть использовано в процессе производства сварных узлов изделий авиационной и новой техники. Известен способ изготовления сварных соединений из сплавов системы алюминий-магний-литий, включающий нагрев под закалку, закалку на воздухе, сварку повторный нагрев под закалку в оснастке из алюминиевого сплава при 370-400^оС, охлаждение на воздухе и старение (120^оС, 5-12 ч). Известный способ позволяет снизить остаточные сварные деформации при сохранении высокого уровня механических свойств и коррозионной стойкости основного материала. Деформацию сварной конструкции необходимо исправлять в оснастке с близким коэффициентом линейного расширения материала конструкции и с высокой жесткостью, определяющей форму конструкции, как в процессе нагрева при 270-400^оС, так и при охлаждении. Для обеспечения жесткости оснастки при правке конструкции толщиной более 3 мм требуется массивная оснастка (толщиной более 20 мм), поэтому при повторной закалке на воздухе материал в оснастке охлаждается со скоростью, не превышающей 0,2^оС/с. При такой скорости охлаждения наблюдается в процессе охлаждения распад твердого раствора алюминия с грубыми выделениями фазы S и вследствие чего снижается пластичность и ударная вязкость, особенно в высотном направлении основного материала. Известен также способ изготовления сварных соединений из сплавов системы алюминий-магний-литий, например из сплава марки 1420, включающий нагрев под закалку, закалку на воздухе, искусственное старение (120 ± 5^оС, 5-12 ч), сварку [2]. Недостатком этого способа являются повышенные остаточные напряжения, при этом прочностные свойства сварных соединений имеют большой разброс по пластичности, ударная вязкость основного материала низка. Целью данного изобретения является стабилизация прочности сварного соединения и повышение пластичности и ударной вязкости основного материала. Поставленная цель достигается тем, что в предложенном способе охлаждение при закалке основного материала проводят со скоростью 0,6-3^оС/с, а старение при 160-185^оС, 2-5 ч на I ступени и при 200-250^оС, 1-3 ч на II ступени и после сварки дополнительное старение при 200-225^оС в течение 0,5-2 ч, при этом суммарная выдержка при температуре 200-225^оС не превышает 4 ч. По предложенному способу обработаны сварные соединения штамповок из алюминиевого сплава марки 1420. Штамповки получены из поковок, которые в свою очередь изготовлены из плоского слитка, отлитого полунепрерывным методом литья. Степень и температура деформации в процессе изготовления поковки и штамповки соответственно составляли 30-50% и 270-325^оС. По достижению 30-50% степени деформации осуществляли промежуточный отжиг при 450 ± 10^оС, 4-5 ч, охлаждение производили на воздухе. После окончания деформации нагрев под закалку проводили при 440-450^оС, охлаждение со скоростью 0,6-3^оС/с, далее старение по режиму: 160-185^оС, 2-5 ч на I ступени и при 200-225^оС, 1-3 ч на II ступени. Из штамповок были получены сварные конструкции, выполненные ручной аргоно-дуговой сваркой с присадочной проволокой АМг63. После сварки проведено старение при 200-225^оС в течение 0,5-2 ч, т.е. старение на II ступени проводилось в два этапа, при этом суммарная выдержка при температуре 200-225^оС не превышала 4 ч. При охлаждении штамповок в процессе закалки со скоростью 0,6-3^оС/с не происходит грубых выделений фазы 5, имеющих место при скорости охлаждения менее 0,6^оС/с, наличие которых приводит к снижению относительного удлинения, ударной вязкости. С увеличением скорости охлаждения при закалке выше 3^оС/с снижается стойкость материала к коррозионному растрескиванию под напряжением, за счет неравномерного выделения частиц фазы S и связанной с этим повышенной напряженностью в этих участках, создаваемой скоплением дислокаций. Повышается также и склонность полуфабрикатов к короблению при их механической обработке. Обеспечение требуемой скорости охлаждения достигается подбором для каждой толщины определенной среды охлаждения. Старение 160-185^оС, 2-5 ч является предварительным, в процессе которого выделяются δ^I размером 50-120 , прочностные свойства при этом достигают первого максимума и составляют 90-95% от уровня их максимальных значений второго максимума, получаемого при выдержке 70-100 ч, но коррозионная стойкость невысокая как при кратковременной, так и при длительной выдержках в выбранном интервале скоростей охлаждения при закалке. Первая ступень старения необходима для обеспечения на второй ступени старения более равномерного, гетерогенного распада алюминиевого твердого раствора, позволяющего получить требуемый уровень прочности и пластичности при высокой коррозионной стойкости. С уменьшением скорости охлаждения при закалке менее 0,6^оС/с и увеличением длительности старения на первой ступени темп разупрочнения растет, поэтому при времени старения на I ступени более 5 ч выдержка на второй ступени должна быть кратковременной в течение нескольких минут, что делает процесс трудноуправляемым и нетехнологичным. Снижение температуры ниже 160^оС и времени старения менее 2 ч, а также повышение скорости охлаждения при закалке более 3^оС/с, температуры старения более 185^оС и времени старения более 5 ч не позволяет получить требуемый уровень прочностных характеристик, особенно предела текучести. Режим старения II ступени выбран из условия обеспечения оптимального сочетания коррозионных, прочностных и пластических свойств основного материала. При температурах менее 200^оС и выдержках менее 1 ч на полуфабрикате получаются низкие пластические и коррозионные свойства, особенно в высотном направлении. Нагрев при температурах более 200^оС существенно снижает внутренние напряжение. Выдержка же при этих температурах в течение 1-3 ч приводит к выделению в основном фазы S и равномерному ее распределению в мелкодисперсном виде, что способствует повышенной коррозионной стойкости сплава при высоком уровне прочности и пластичности. Выделение фазы S целесообразно также с точки зрения обеспечения низкого коэффициента линейного расширения в интервале температур 200-300^оС, величина которого составляет 26 ˙ 10^-6 град^-1. Такой же коэффициент линейного расширения имеют образцы, обработанные по известному способу, в котором выделение фазы S происходит в процессе охлаждения при закалке на воздухе. При закалке со скоростью выше 0,6^оС/с твердый раствор алюминия характеризуется повышенной концентрацией магния и лития. Для таких образцов, состаренных при температурах ниже 200^оС, коэффициент линейного расширения в интервале температур 200-300^оС более 31 ˙ 10^-6 град^-1. Для сплавов системы алюминий-магний-литий коэффициент линейного расширения в этом интервале температур во многом определяется количеством выделяющейся в процессе нагрева фазы S (размер кристаллографической решетки 20,2 ) в алюминиевой матрице (размер кристаллографической решетки 4,04 ). Поэтому, чем выше скорость охлаждения образцов, состаренных при температурах менее 200^оС, тем выше коэффициент линейного расширения в интервале 200-300^оС. Это приобретает особое значение для штамповок, подвергающихся сварке. При сварке в зоне термического влияния происходит нагрев, в том числе до температур 250-300^оС (температур минимальной устойчивости твердого раствора алюминия). В этих зонах могут происходить существенные изменения их размеров и как следствие повышенное коробление и остаточные напряжения в сварных соединениях. Старение при 200-225^оС на второй ступени устраняет негативное влияние повышенных скоростей охлаждения и подготавливает штамповку или деталь из нее для проведения сварки с минимальным короблением. Повышение температуры старения более 225^оС способствует интенсивному распаду твердого раствора и как следствие этого механические свойства падают. Температуру нагрева штамповок под закалку выбирают, исходя из условия максимального растворения магния и лития в твердом растворе алюминия, т.е. выбор температуры нагрева под закалку соответствует традиционному подходу. После сварки в процессе старения 200-225^оС в течение 0,5-2 ч обеспечивается снятие внутренних сварочных напряжений, а также за счет дисперсных выделений в сварном шве фазы S - стабилизация свойств сварного соединения, при этом сохраняется высокий уровень прочностных свойств основного материала, т.к. суммарное время обработки основного материала не превышает 4 ч, 2-х этапное старение на II ступени при 200-225^оС (до сварки и после сварки) позволяет обеспечить более благоприятные условия выполнения сварки с пониженными остаточными напряжениями в сварном соединении при последующем снижении их после сварки. Конкретные примеры опробованных режимов термической обработки сварных соединений сплавов 1420 (система алюминий-магний-литий) приведены в табл.1, а свойства основного материала и сварных соединений, выполненных многопроходной ручной аргоно-дуговой сваркой с присадочной проволокой АМг63, в табл.2. Как видно из данных табл.2, предложенный способ изготовления сварных соединений по сравнению с известным, позволяет стабилизировать прочность сварных соединений и повысить пластичность и ударную вязкость основного материала при сохранении высоких значений прочностных свойств. Сварные соединения, обработанные по предложенному способу, имеют мень- шее коробление, что повышает надежность работы изделия и предопределяет эффективность и экономичность использования пре- дложенного технического решения в авиационной и других отраслях промышленности.

Формула изобретения

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ИЗ СПЛАВОВ СИСТЕМЫ АЛЮМИНИЙ-МАГНИЙ-ЛИТИЙ, включающий нагрев под закалку, охлаждение, старение и сварку, отличающийся тем, что, с целью стабилизации прочности сварного соединения, повышения пластичности и ударной вязкости основного материала, охлаждение проводят со скоростью 0,6 - 3 град./с, старение осуществляют в две ступени: на первой при 160 - 185^oС в течение 2 - 5 ч, на второй при 200 - 225^oС в течение 1 - 3 ч, а после сварки проводят дополнительное старение при температуре второй ступени в течение 0,5 - 2 ч, при этом суммарная выдержка при этой температуре не превышает 4 ч.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2