RU2643029C1

RU2643029C1 - Method for manufacturing welded structures from thermally nonhardenable aluminium alloys

Info

Publication number: RU2643029C1
Application number: RU2016142127A
Authority: RU
Inventors: Игорь Васильевич Высоцкий; Сергей Сергеевич Малофеев; Дамир Вагизович Тагиров; Рустам Оскарович Кайбышев
Priority date: 2016-10-27
Filing date: 2016-10-27
Publication date: 2018-01-29

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: equal channel angular pressing of the part blank is carried out along the route of the aircraft in not less than 8 passes with the combination of the heating temperature in the range of 250-500°C according to the condition for obtaining a recrystallized structure of the aluminium alloy of the blank with a volume ratio of recrystallization grains of at least 75%. The isothermal rolling of the resulting blank is then carried out at a temperature not less than the pressing temperature and not exceeding the mentioned temperature by more than 50°C, to produce sheet semi-finished products of a predetermined size. After that, the obtained sheet semi-finished products are joined by friction stir welding. The tool rotation speed and feed rate are selected according to the condition for obtaining a weld joint structure identical to the structure of the aluminium alloy semi-finished product.

EFFECT: increasing operational reliability of welded structures.

1 cl

Description

Настоящее изобретение относится к области сварки трением с перемешиванием, в частности к области сварки трением с перемешиванием термически неупрочняемых алюминиевых сплавов. The present invention relates to the field of friction stir welding, in particular to the field of friction stir welding of thermally unstrengthened aluminum alloys.

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. It is known from the prior art that welded joints of thermally unstrengthened aluminum alloys, in particular Al-Mg-Sc-Zr systems, obtained by friction stir welding (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), have a different level of mechanical characteristics mainly material and weld due to the strong differences in the structural components of these areas. This leads to such negative consequences as localization of deformation in the welded joint zone, which entails the rapid destruction of welded structures.

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. The objective of the invention is the creation of welded structures from thermally unstrengthened aluminum alloys by friction stir welding, the structure and properties of which will be equal throughout the volume of the resulting product, which will ensure high reliability of the structure during operation.

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.The problem is solved in that the initial billet of a thermally unstrengthened aluminum alloy is subjected to equal channel angular pressing (ECAP) at temperatures from 250 to 290 ° C and at temperatures from 310 to 500 ° C for at least 8 passes, along the BC route, which ensures the formation of a crystallized in the billet structures with grain sizes from 0.1 to several tens of microns, the proportion of which will be at least 75%. After that, the billet is isothermally rolled at a temperature close to or equal to the temperature of the ECAP and not exceeding this temperature by more than 50 ° C in order to obtain sheet semi-finished products of the required size while maintaining the structure and mechanical properties obtained as a result of ECAP. Then, one-piece welded joints or structures are manufactured from these sheet semi-finished products by friction stir welding with a tool speed in the range from 300 to 1200 rpm and a speed of 10 to 6000 mm / min. In this case, the friction stir welding parameters are selected in such a way as to form a structure in the weld that is close to or identical to the structure of sheet semi-finished products. This will ensure a close or equal level of mechanical and plastic properties of the weld with the properties of semi-finished products, which ensures uniform loading of the welded joint or structure and, as a result, the absence of localization of deformation, leading to catastrophic failure.

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.The equal-channel angular pressing route Bc involves turning the workpiece around its longitudinal axis by an angle of 90 ° after each pass. The index C indicates that during pressing the direction of rotation is maintained, that is, always counterclockwise or always clockwise.

При осуществлении заявленного способа сварные конструкции обладают высоким уровнем эксплуатационной надёжности из-за равного по всему объёму изделия уровня механических свойств.When implementing the inventive method, welded structures have a high level of operational reliability due to the equal level of mechanical properties throughout the entire volume of the product.

Осуществление изобретенияThe implementation of the invention

Способ создания сварных конструкций с однородной структурой и свойствами по всему объёму состоит из трёх технологических операций: The method of creating welded structures with a homogeneous structure and properties throughout the volume consists of three technological operations:

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;1) ECAP billet aluminum alloy. It is carried out at temperatures from 250 to 290 ° C and at temperatures from 310 to 500 ° C. At the same time, at least 8 passes along the BC route are carried out. Such a combination of pressing parameters will allow the formation of a structure with a grain size from 0.1 to several tens of microns in the billet of aluminum alloy with a volume fraction of recrystallized grains of at least 75%. This technological operation allows you to form in the workpiece a structure similar to that that occurs in the mixing zone of the weld obtained by friction stir welding. This will allow to obtain a close or equal level of strength and plastic properties in the weld and the main material and, therefore, to obtain uniformity of properties throughout the volume of the welded product;

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.2) Isothermal rolling, carried out at a temperature not lower than the ECAP temperature and not exceeding this temperature by more than 50 ° С. The purpose of this technological operation is to obtain semi-finished sheet products of the required size while maintaining the structure and properties obtained after ECAP.

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.3) Friction welding with mixing of the resulting semi-finished products to obtain the final product. In this case, the welding parameters are selected in such a way as to ensure a weld structure close to or identical to the structure of the basic material of the semi-finished products, i.e. comparable grain size and dislocation density. So, the frequency of rotation of the tool is selected in the range from 300 to 1200 rpm, and the feed rate of the welding tool from 10 to 6000 mm / min.

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.It is known that when the level of mechanical characteristics of a welded joint is lower than that of the base material, then when the yield strength is exceeded, this leads to localization of deformation in the weld with almost instantaneous failure.

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.The homogeneity of the structural elements of the base material and welded joints will provide the same level of mechanical characteristics in the entire volume of the welded structure. So, if during the operation the level of ductility is exceeded, this will not lead to localization of deformation and rapid destruction of the structure, since the load will be evenly distributed throughout the welded joint, including the base material. Therefore, the proposed manufacturing method will increase the operational reliability of welded structures.

Claims

A method of manufacturing welded structures from thermally unstrengthened aluminum alloys, including equal-channel angular pressing of the initial billet, which is carried out along the BC route in at least 8 passes with a combination of the heating temperature in the range of 250-500 ° C from the conditions for obtaining the recrystallized structure of the aluminum alloy of the billet with a volume fraction recrystallization grains of not less than 75%, after which the obtained billet is isothermally rolled at a temperature not less than the temperature of the pres curing, and not more than 50 ° C higher than the mentioned temperature, to obtain sheet semi-finished products of a given size, and then combine the resulting sheet semi-finished products by friction stirring, while selecting the frequency of rotation of the tool and its feed rate from the conditions of obtaining the structure of the welded joint, identical prefabricated aluminum alloy structure.