ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И СВАРИВАЕМОСТЬ  ЛИСТОВ АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА СИСТЕМЫ Al-Mg-Si-Fe, СОДЕРЖАЩЕГО ЛЕГИРУЮЩИЕ ДОБАВКИ ЩЕЛОЧНОЗЕМЕЛЬНЫХ МЕТАЛЛОВ

 

Грушко О.Е., Гуреева М.А., Фридляндер И.Н., Овчинников В.В.

 (ФГУП «ВИАМ», ФГУП «РСК «МиГ», г.Москва, РФ)

 

Получение изделий сложной конфигурации и повышенной прочности по технологии, включающей операции штамповки с глубокой вытяжкой и сварки (подвесные баки, аккумуляторные баки, баллоны, бачки и др.) остается актуальной проблемой для самолетостроения и автомобильной промышленности. Сплавы системы Al-Mg-Si типа авиаль заметно превосходят по своим механическим свойствам, используемые в настоящее время для этих целей, сплавы системы Al-Mg. Предлагаемые сплавы имеют следующие механические свойства: σ_0.2 = 270 МПа, σ_в = 360 МПа, σ_кр.=0,9 σ_0.2 , МЦУ более 100 Кц при  σ_max =157 МПа. В то же время у сплавов АМг2 и АМг6 значения σ_0.2 равны 120 и 180 МПа, соответственно. Помимо этого, листы из сплавов системы  Al-Mg-Si-Fe значительно более герметичны, по сравнению со сплавами системы Al-Mg. Это позволяет использовать значительно более тонкие листы для изготовления герметичных изделий, что существенно снижает массу конструкции (самолета или автомобиля).

Достижение хорошей способности листов из сплавов системы Al-Mg-Si-Fe к формоизменению и сварке возможно только в случае формирования в них оптимизированных структурных состояний (однородная мелкозернистая структура, благоприятная текстура, наличие дисперсных выделений упрочняющих фаз, сдерживающих также рост зерен и возникновение вредных кристаллографических ориентировок). Выполненные нами исследования эволюции структуры, процессов текстурообразования, протекающих в технологическом цикле изготовления листов из сплавов типа авиаль, и влияния на них добавок щелочноземельных металлов, позволили предложить сплав (В1341), по своим характеристикам превосходящий обычные сплавы системы Al-Mg-Si-Fe [1].

В настоящее время ставится задача применения этого сплава для изготовления указанных выше изделий и возникает необходимость более детального изучения его технологических характеристик таких, как формуемость при штамповке с глубокой вытяжкой, способность к гибке, свариваемость и др.

Возможность получения деталей типа полусфер из листов сплава В1341 при холодной штамповке оценивали на образцах в виде дисков диаметром 200 мм. Для холодной штамповки использовали доработанный штамп, применяемый для штамповки днищ расширительного бака из сплава АМг4. Штамповку выполняли за один ход штампа. Для штамповки днищ использовали пресс марки PKNT315 фирмы WEINORTEN. Данный пресс имеет рабочий ход 315 мм; усилие удерживания 500 КН; усилие выталкивания 80 КН.

Были получены детали в виде полусфер диаметром 150 мм (с технологическим припуском)  и высотой  60 мм (рис.1) . Внешним осмотром полученных полусфер установлено отсутствие видимых трещин и морщин на их поверхности. Это позволяет заключить, что сплавы системы Al-Mg-Si обладают хорошей технологичностью после ТМО в условиях холодной штамповки. Это позволяет получать из него различные гофрированные панели.

Рисунок 1 - Днища баллонов с технологическим припуском после холодной штамповки из листа сплава В1341

 

Для изготовления различных герметичных конструкций (типа баллонов и баков) наибольший интерес представляет сварка плавлением сплава В1341и уровень свойств получаемых соединений. Для получения сварных соединений листов сплава В1341 использовали установку для автоматической сварки на базе АДСВ-7, оснащенную клавишным пневматическим приспособлением для фиксации деталей и источником переменного тока марки ИСВУ-400. Сварку осуществляли на токе дуги 60-75А при скорости сварки 12-15 м/ч. Присадочную проволоку диаметром 1,2 мм подавали в сварочную ванну со скоростью 20-22 м/ч. Защиту расплавленного металла сварочной ванны и проплава шва осуществляли аргоном. При сварки образцов использовали присадочную проволоку марки Св.1217, Св.АК5 и Св.АМг63.

На первом этапе исследований свариваемости сплавов системы Al-Mg-Si-Fe определялось влияние содержания кальция на склонность сплава к образованию трещин. Сварку образцов осуществляли  без присадки и с присадочной проволокой. Для оценки склонности сплава к образованию трещин использовали крестовую пробу, пробу «рыбий скелет» (образцы Хоулкрофта) и методику испытаний на машине ЛТП1-10. Анализ полученных результатов показал, что введение в сплав кальция позволяет снизить коэффициент трещинообразования и существенно повысить критическую скорость деформации. При этом оптимальное количество кальция составляет 0,12-0,35%. Применение присадочной проволоки дополнительно снижает склонность сплава к образованию трещин при сварке плавлением. Примененные проволоки (св.АК5, св.1217, св.АМг63) примерно равноценны по влиянию на склонность сплава к образованию трещин при сварке.

Результаты механических испытаний сварных соединений, полученных с использованием различных марок присадочных проволок, представлены в табл.1. Анализ данных табл.1 показывает, что прочность сварных соединений, испытанных с проплавом и усилением шва, а также со снятым проплавом и усилением при использовании проволок Св.1217, Св.АК5 и АМг63, практически одинакова и составляет 0,60-0,62 от предела прочности основного металла в состоянии Т1. Разрушение образцов, сваренных в закаленном состоянии, при испытании на статическую прочность происходит по основному металлу на расстоянии 6-10 мм от линии сплавления. В то же время значения угла загиба у соединений, выполненных с проволокой Св.АК5, примерно в 2-3 раза меньше, чем у соединений, сваренных с проволокой Св.1217.

 

Таблица 1 – Механические свойства сварных соединений листов сплава                      В1341, выполненных автоматической аргонодуговой сваркой

Образец	Марка проволоки	Термообработка	σв, МПа		σ02, МПа	δ, %	α, град
			соединение	шов
Основной металл	нет	З	296	-	176	25,8	-
		З + ИС	332	-	309	10,6	-
Сварное соединение	Св.1217	З + ИС + Св.	206	207	114/129	7,3/5,8	62
		З + Св. + ИС	284	284	185/228	1,0/1,8	32
	Св.АК5	З + ИС + Св.	226	217	115/132	7,8/6,2	30
		З + Св. + ИС	304	282	210/264	0,9/1,6	13
	Св.АМг63	З + ИС + Св.	224	220	123/143	6,9/4,7	44
		З + Св. + ИС	290	250	199/234	1,0/2,2	23
Примечание: 1. Обозначения: З – закалка, ИС – искусственное старение, Св. – сварка. 2. Числитель – база измерения 15 мм, знаменатель – база измерения 20 мм.

 

Проведение искусственного старения после сварки (170⁰С, 14 час) приводит к повышению прочности сварного соединения до уровня 284-304 МПа. При этом прочность металла шва при использовании проволок Св.АК5 и Св.1217 практически одинакова и составляет 282-284 МПа. Разрушение образцов с усилением и проплавом при испытаниях происходит по  зоне сплавления, а при испытаниях образцов с удаленным усилением и проплавом - по металлу сварного шва.

Следует обратить внимание на тот факт, что искусственное старение приводит к значительным снижениям показателей угла загиба (до 13° для проволоки Св.Ак5). Это связано с выпадением избыточных упрочняющих фаз, содержащих медь, по границам зерен в металле шва.

Металлографические исследования показали, что при испытаниях образцов, которые не подвергались старению после сварки, разрушение происходило по зоне основного металла. Указанная зона соединения при сварке подвергается нагреву в диапазоне температур 300-330⁰С. Нагрев сплава В1341 в состаренном состоянии до 300-330⁰С приводит к значительному снижению относительного удлинения при практически неизменной прочности.

Полученные результаты показывают, что для сварных соединений сплава В1341 предпочтительно применение присадочной проволоки Св.1217  и Св.АМг63 в сочетании с искусственным старением сварных соединений после сварки. В этом случае коэффициент прочности сварного соединения составляет 0,78-0,80 от прочности основного материала в искусственно состаренном состоянии. Операция искусственного старения сплава В1341 отличается высокой продолжительностью. Это существенно влияет на производительность технологических процессов, особенно в отраслях с большим объемом выпускаемых изделий. Поэтому в данной работе исследовалось влияние температуры и времени искусственного старения на механические свойства основного металла и сварных соединений сплава В1341.

Известно, что сушка лакокрасочных покрытий при производстве различных деталей из алюминиевых сплавов обычно осуществля­ется при температурах 170-200°С с выдержкой от 20 до 60 мин. Исследования показали, что при 170°С и выдержке 30 мин сплав имеет такие же свойства, как после естественного старения. Чтобы обеспечить требуемый уровень свойств, время вы­держки при сушке лакокрасочных покрытий при 170°С должно быть не менее 3 ч. Такая длительная выдержка при сушке лакокрасочного покрытия тех­нологически неоправданна и не всегда может быть принята. В связи с этим было исследовано влияние старения при более высоких температурах с выдерж­кой 20-60 мин на свойства сплав В1341. Старение лис­тов сплава В1341 при 190-200°С в течение 30 мин приводит к существенному повышению механиче­ских свойств; σ_в = 303-326 МПа, σ_0,2 = 185-236 МПа, δ = 14,9-19,3% . Эти режимы могут совмещать операции сушки лакокрасочного покрытия и искусственного старения деталей из сплава В1341.

Таким образом, полученные результаты показали перспективность применения сплава В1341 в сварных конструкциях из алюминиевых сплавов вместо сплавов АМг2 и АМг6.

Литература

1.             Патент РФ №2255133 МКП С 22 С 21/04. Деформируемый сплав на основе алюминия и изделие, выполненное из этого сплава (Фридляндер И.Н., Грушко О.Е., Шевелева Л.М., Шамрай В.Ф., Овчинников В.В.). Приоритет изобретения 19 декабря 2003.